Veden fysikaaliset ominaisuudet ilmenevät maapallon ilmastossa ja elämässä monin tavoin. Veden suuren ominaislämpökapasiteetin vuoksi vesistöt varastoivat paljon energiaa. Siten ne myös lämpiävät ja jäähtyvät paljon hitaammin kuin ilma. Tämä näkyy esimerkiksi siinä, että meren läheisyys tasoittaa lämpötilojen vaihteluita vuodenaikojen välillä. Mantereella kaukana rannikosta lämpötilat vaihtelevat enemmän.

Veden ominaislämpökapasiteetti vaikuttaa merten kautta myös hyvin pitkällä aikavälillä ja koko maapallon mittakaavassa. Kaikkien maapallon merten lämpökapasiteetti on arvioitu tuhatkertaiseksi ilmakehän lämpökapasiteettiin verrattuna. Vesistön lämpötila muuttuu siis huomattavasti hitaammin kuin ilmakehän. Tällä on merkitystä ilmastonmuutoksen kannalta. Koska lämpötilaerot pyrkivät tasoittumaan, ilmakehän lämmetessä myös meret lämpiävät. Tähän tarvitaan paljon enemmän energiaa kuin pelkän ilmakehän lämpiämiseen. Siten meret toimivat ilmastonmuutosta hidastavana tekijänä.

Meri tasoittaa lämpötilaeroja paitsi ajallisesti, myös eri paikkojen välillä. Merivirtojen mukana energiaa voi kuljettua alueelta toiselle. Golfvirta on esimerkki lämpimästä merivirrasta. Se lämmittää huomattavasti Pohjois-Atlantin rannikoiden ilmastoa. Merivirrat ovat pysyviä ilmiöitä, joilla on hyvin suuri merkitys eri alueiden ilmastoon ja erityisesti lämpötilaan.

Jos maapallon keskilämpötila ei muutu, Auringosta tulee maahan säteilynä energiaa samalla teholla kuin Maa säteilee energiaa pois. Kasvihuoneilmiön voimistumisen takia tällä hetkellä energiaa tulee hieman enemmän kuin poistuu, ja siksi keskilämpötila nousee hitaasti. Maapallon mittakaavassa ero on silti pieni. Paikallisesti tulevan ja poistuvan energian ero voi olla hetkellisesti huomattava. Tämä havaitaan esimerkiksi aurinkoisena kesäpäivänä, jolloin Aurinko lämmittää voimakkaasti varsinkin tummia pintoja, jotka eivät heijasta säteilyä pois.

Auringon säteilyn intensiteetti (teho neliömetriä kohti) Maan etäisyydellä Auringosta on mittausten mukaan noin 1,361 kW/m². Tämän avulla voidaan luvun 4 tietoja soveltaen laskea esimerkiksi, kuinka nopeasti järven pintavesi enintään voi kesäpäivänä lämmetä.

 Esimerkkitilanne: järven pintaveden lämpeneminen

Säteilyn vaikutuksesta järven vesi lämpenee epätasaisesti, minkä lisäksi veden virtaukset kuljettavat lämpöä. Laskelman yksinkertaistamiseksi oletetaan kuitenkin, että Auringon säteilemä energia lämmittää vain yhden metrin syvyistä pintakerrosta eikä lämpöä siirry siitä muualle. Säteilyn veteen siirtämä teho [[$P$]] lasketaan intensiteetin [[$I$]] ja pinta-alan [[$A$]] tulona. Kun tämä kerrotaan edelleen kuluvalla ajalla [[$\Delta t$]], saadaan siirtyvän energian kokonaismäärä [[$Q$]].

[[$\qquad Q=P\Delta t=IA\Delta t$]]

Toisaalta veteen siirtyvä lämpö riippuu veden ominaislämpökapasiteetista [[$c$]] , massasta [[$m$]] ja lämpötilan muutoksesta [[$\Delta T$]]. Veden massa on tiheyden [[$\rho$]] ja tilavuuden [[$V=Ah$]] tulo.

[[$\qquad Q=cm\Delta T=c \rho Ah$]]

Yhdistämällä yhtälöt saadaan laskettua veden lämpötilan muutos.

[[$\qquad \Delta T=\dfrac{Q}{chA}= \dfrac{IA\Delta t}{c\rho Ah}=\dfrac{I\Delta t}{c\rho h}$]]

Lähtöarvot ovat seuraavat:

[[$I=1\,361\ \mathrm{\dfrac{W}{m^2}}{,}\ \Delta t=12\cdot60\cdot60\ \mathrm{s}{,}\ c=4\, 190\ \mathrm{\dfrac{J}{kg°C}}{,}\ \rho=1\,000\ \mathrm{\dfrac{kg}{m^3}}{,}\ h=1\ \mathrm{m}$]]

Tulokseksi saadaan [[$ \Delta T\approx14\ °\mathrm{C}$]]. Tätä voidaan ajatella ylärajana lämpenemiselle, mutta todellinen lämpeneminen on selvästi vähäisempää tehtyjen oletusten vuoksi. Laskussa käytetty intensiteetti on Aurinkoon nähden kohtisuoralle pinnalle kohdistuva teho, vaikka säteilyn todellinen tulokulma riippuu sijainnista maapallon pinnalla. Myöskään pilvien absorboimaa ja veden pinnasta heijastuvaa säteilyä ei huomioitu. Laskelman perusteella lämpenemisen voidaan kuitenkin sanoa olevan merkittävää.

Maapallon mittakaavassa lämpötila on tasapainossa. Pintavedet lämpiävät aina jossain päin maapalloa ja jäähtyvät toisaalla. Vaihtelua tapahtuu vuodenaikojen mukaan ja päivittäin esimerkiksi pilvisyyden mukaan. Ilman jäähtyessä meret luovuttavat niihin sitoutunutta lämpöä ilmaan ja hidastavat jäähtymistä.

Pintamateriaali vaikuttaa siihen, kuinka paljon Auringosta tulevaa säteilyä heijastuu pois ja paljonko säteilyn tuomasta energiasta sitoutuu pintaan ja lämmittää sitä. Kevättalvella auringon paistaessa yhä enemmän lumet sulavat ensimmäisenä niistä kohdista, joihin on ripoteltu tummaa hiekoitushiekkaa. Tumma hiekka ei heijasta auringosta tulevaa säteilyä kuten lumi, ja ottaa siksi saapuvan energian vastaan ja lämpenee. Maapallon mittakaavassa tämä ilmiö voi horjuttaa lämpötasapainoa. Ilmaston lämmetessä jäätiköt ovat alkaneet sulaa. Heijastavan lumipinnan vaihtuessa tummaan maahan tai veteen aiempaa pienempi osa Auringosta säteilynä tulevasta energiasta heijastuu pois, ja pinta lämpenee aiempaa enemmän. Tämä on esimerkki ilmastonmuutoksen seurauksesta, joka entisestään kiihdyttää lämpenemistä. Tällaista tilannetta, jossa muutos kiihdyttää itseään, kutsutaan positiiviseksi takaisinkytkennäksi.

Jäätiköiden sulamisen vaikutusten arviointi ei ole suoraviivaista. Muutokset ja niiden seuraukset ovat monimutkaisia ja joskus yllättäviä. Kuitenkin tämän opintojakson tiedoilla voidaan arvioida, onko vaikutus merkittävä vai mitätön. Aiemman järven pintaveden lämpenemistä tutkineen esimerkkilaskun tavoin voidaan arvioida pohjoisen napajäätikön sulamisen vaikutuksia.

Esimerkkitilanne: pohjoisen napajäätikön sulaminen

Pohjoisen napajäätikön pinta-ala oli 1980-luvulla keskimäärin 11 miljoonaa neliökilometriä, ja keskimäärin pienimmillään kesäisin noin 7,5 miljoonaa neliökilometriä. 2010-luvulla pinta-ala oli kesäisin pienimmillään keskimäärin 5 miljoonaa neliökilometriä. On siis mielekästä laskea, paljonko enemmän energiaa maapallolle tulee Auringon säteilyn mukana yhdessä kesässä siksi, että 2,5 miljoonaa neliökilometriä on muuttunut jäätiköstä avomereksi.

Jäätikkö heijastaa noin 60 % saapuneesta säteilystä ja merivesi noin 10 %. Napa-alueella aurinko ei paista kohtisuoraan pinnalle, joten energiaa neliömetriä kohti tulee vähemmän. Säteilyn teho pinta-alaa kohden on noin 680 W/m². Energian lisäys on 50 % kaikesta säteilyenergiasta, eli

[[$ \qquad E=0{,}5\cdot680\mathrm{\ \frac{W}{m^2}}\cdot2\ 500\ 000\ 000\ 000\ \mathrm{m^2\cdot3\cdot30\cdot24\cdot3\,600\ s\approx6{,}61\cdot10^{21}\ J\mathrm{ }} $]]​

Sitten voidaan arvioida, mitä merkitystä tällaisella lisäenergialla on maapallolle. Esimerkiksi, montako astetta lisäenergia riittäisi lämmittämään kaikkia valtameriä, joiden keskisyvyys on 3 700 m ja pinta-ala 361 000 000 km². Siirtyvä lämpö on kaavan [[$ Q=cm\Delta T $]]​ mukainen, joten lämpötilan muutos on

[[$ \begin{align} \quad \Delta T&=\dfrac{Q}{cm} \\\, \\ &=\mathrm{\dfrac{6{,}61\cdot10^{21}\ J}{4\,190\ \frac{J}{kg°C}\cdot 1\,000\ \frac{kg}{m^{3\ }}\cdot 3\,700\ m\cdot 361\ 000\ 000\ 000\ 000\ m^2}} \\ \, \\ &\approx0{,}0012\ \mathrm{°C} \end{align} $]]​

​Määrä voi tuntua pieneltä, mutta kyseessä on yhdessä kesässä jo nykyisellä sulamisella Maahan jäävän ylimääräisen energian vaikutus. Jos koko napajäätikkö sulaa, vaikutus kolminkertaistuu ja esimerkiksi sadassa vuodessa vaikutus olisi tällöin jo noin 0,4 K. Lisäksi on huomattava, että meret eivät lämpene tasaisesti. Neljäasteinen vesi on tiheintä ja laskeutuu pohjalle. Noin 2 000 metristä syvemmälle lämpötila on suunnilleen tämä 4 °C riippumatta siitä, missä päin maailmaa lämpötilaa tarkastellaan. Siksi voidaan olettaa, että vain ylimmät 2 000 metriä lämpenisivät. Lämmitettävää vettä olisi näin ollen vähemmän ja lämpeneminen voimakkaampaa.