水在日常中很常见，江河湖海洋到处都是。但是，从科学的角度来区分，水和水之间有很大差别。

水的分子式很简单H₂O。但是从原子角度来看，O存在着同位素，也就是这些原子具有相同的质子数8，而其中子数可不尽相同。正常情况下，O原子具有8个中子数，这样的氧原子叫做O¹⁶。偏偏有一些氧原子中的中子数是10，于是这样的氧原子叫做O¹⁸。显而易见，O¹⁸比O¹⁶更重，相对不灵活。当水蒸发的时候，H₂O¹⁶就会比H₂O¹⁸更容易蒸发道空气中，随风而走，海洋中H₂O¹⁸就会增加。于是在不同的海域，海水中H₂O¹⁶和H₂O¹⁸的比值是不一样的。

宏观上，海洋里的水有两个性质非常重要，那就是温度和盐度。关于温度，大家比较熟悉。在热带，表层水的水温比较高。而在寒带，表层水的水温就会相对降低。关于盐度，从一般意义上也很好理解，比如日常生活中，吃饭喝汤的时候，有的汤偏咸，也就是含盐量比较高。有的汤清淡，含盐量少。

海水富含各种离子，其中钠和氯的含量很高，所以我们就可以从海水中把盐（Nacl）析出来，在海边也经常看到各种盐场。

水分子中的一个氧和两个氢的电荷数相同，符号相反，整体上不带电。但是，在空间结构上，氧和氢并不对称分布，呈现局部带电的效果。一个水分子的氧原子可以吸引另外一个水分子的氢分子。但是这种结合并不稳定，会随时断开。这种断断续续的状态就是水的液态。看似为一个整体，但是又可以轻易分开。水分子如果全部分开，各自为政，这种状态其实就是气态。

如果温度继续降低到冰点，水分子结晶，但是结晶得很松散，内部也可能充斥空气，造成其整体密度反而降低。于是我们发现，高温和低温两种状态下，水的密度都是低的，正常情况下，对于纯水，在4摄氏度时，其密度最大。所以，我们会看到冰漂浮在水面上。

当水中含有离子，变得不纯的时候，受到这些例子的干扰，水分子之间更不容易链接形成晶体，于是，随着盐度增加，盐水的冰点就会降低。即使到了零度，盐水也不会结冰。同时，随着盐度增加，水的密度也增加。

水面并不平静，浅部的水和深部的水会发生一定的混合，在这个混合层里，水的温度和盐度相对均匀。对于淡水而言，当温度降低到0摄氏度时，即刻结冰，所以在河面上的冰层相对较薄。但是对于海水，即使到了0摄氏度也不结冰，同时水的密度增大，更容易下沉发生混合作用，这个混合层深度会增加。当温度继续下降，达到海水结冰时，在海面上就会结出非常厚的一层冰。

在混合层下面，海水的温度和盐度会快速下降，我们把这种性质巨变的层分别叫做温跃层（Thermocline）和盐跃层（Halocline）。由于海水的密度受到温度和盐度的共同控制，所以必须要同时考虑这两种因素的共同影响。

在一个地区，海水的盐度取决于淡水注入和蒸发输出的平衡。如果蒸发少，降雨多，这个地方表层海水的盐度肯定会低。

中美洲这个地方比较特别，陆地东西狭窄，地处信风，风向为东北-西南向。于是，大西洋的水气很容易被吹入太平洋。在长时间尺度上，这种积累非常显著，会时太平洋的水有变淡的趋势。在这里，大西洋的热量也容易被大气带往太平洋，造成太平洋和大西洋之间存在着某种耦合关系。

前人研究发现，结合温度和盐度两种性质，就可以很好地区分不同水团。所谓水团就是整体上来源一致，性质稳定，和周边海水可以很好地区分。具有统一温度和盐度性子和的水团大规模运动，叫做热盐洋流。科学家进一步假设，在全球范围内，存在着一个统一的热盐洋流循环体系。他们不但在水平方向上往复流动，在垂向上，也存在下沉和上涌区。

从理论上讲，这个概念成立，因为全球的水是联通的，在大的时间尺度上，必然会相互交换。但是在细节和局部特征上，会有很大的出入。所以，热盐环流是一个长时间积分的结果。

水除了温度、盐度和密度等性质，还具有年龄特征。

通过科学的方法，可以确定大洋中不同水团的形成年龄。水团的年龄可不是水分子的年龄，很多水分子的年龄可以追溯到几十忆年前，有的水分子则形成现今。但是作为一个整体，水团的形成时间可以被追溯。通过测量，我们发现，北大西洋深层水（NADW）的年龄最小，北太平洋中深层水（NPDW）年龄可达到一千多岁。这说明北大西洋区是一个活跃区，不停地形成新的水团沉入海洋。而在太平洋地区则是这些水团的一个据点，NADW长途跋涉之后，在这里临时停滞。当然，随着时间再推移，北太平洋区的这些陈旧的老水也会通过某些力量翻转上来，重新参与全球的水循环。因此，在北太平洋区，并不会形成NADW一样年轻的深水团，否则，其年龄就不会这么老。

从上面的分析可之，当加入水的年龄后，我们就形成了时空演化的概念。原来在大洋中存在着很多特殊的水团，不同水团的占据着大洋的不同位置，并且相互之间会抢占大洋的空间，此消彼长，共同参与海洋的整体演化。这个演化又会影响表层海水热量分布，对全球的气候造成重要影响。

总的说来，这个大型的热盐环流可以从北大西洋始，海水下沉形成NADW，然后在大西洋海底一路向南到达南极洲，随之方向改向东，流入印度洋和南太平洋。这两个分支，各自向北运动，到达印度洋和北太平洋后，向上翻转，沿着赤道流的方向从东向西，在印度洋再偏向西南，从非洲南端进入南大西洋，把热量从南向北带到欧洲。这样就形成了一条联系全球水体的热盐传送带。

除了一些常见元素，海水中还溶解了大量的微量元素。科学家利用海水和海洋沉积物中这些各式各样的元素，去追踪大洋的洋流路径，了解不同水体之间的混合，确定海水的酸度，估算海标温度和盐度等。这些参数与全球气候变化密切相关，构成了古海洋学的重要研究内容。

之后，我们会对这些有趣的方法逐一进行介绍。