Il mare contiene in soluzione 50 volte piú carbonio che la CO₂ dell´aria: 40.000 PgC e 750 PgC, rispettivamente (1PgC = 1 Petagrammo Carbonio = 1.000.000 di tonnellate di Carbonio). Tra la superficie del mare e l´aria esiste, in entrambi i sensi, un continuo scambio di CO₂. In alcune epoche il mare si comporta come una fonte di CO₂ atmosferico e in altre come serbatoio.
L´abbondanza di carbonio nel serbatoio oceanico si spiega, in parte, per l´alta solubilitá della CO₂ e per la sua facilitá di reagire  chimicamente con l´acqua. Infatti il diossido di carbonio disciolto si combina con l´acqua di mare formando acido carbonico (H₂CO₃), che immediatamente si dissocia in ioni di bicarbonato (HCO₃^–) e di carbonato (CO₃^2-). Quasi tutto il carbonio disciolto é nella forma di questi due ioni: circa l´85% in forma di bicarbonato e circa 15% in forma di carbonato, e solo lo 0,5% di tutto il carbonio inorganico disciolto é nella forma di CO₂ gassoso, e la concentrazione di acido carbonico H₂CO3 é ancora minore.
L´unione di tutto il carbonio dei soluti (CO₂ ,HCO₃^– e CO₃^2-) si suole rappresentare con l´acronimo DIC (dissolved inorganic carbon), per distinguerlo dal carbonio organico DOC contenuto nella biomassa marina (dissolved organic carbon). Reazioni nel doppio senso stabiliscono e mantengono un equilibrio tra loro e che dipendono dalla temperatura, salinitá e alcalinitá dell`acqua.
L´interscambio di CO₂ tra mare e atmosfera dipende direttamente della piccola frazione di carbonio presente sulla superficie del mare in forma di CO₂. La sua pressione nella superficie dell´acqua (pCO₂) si mantiene in equilibrio con la sua pressione parziale nella atmosfera, esistendo un continuo flusso molecolare aria-mare/mare-aria, che regola e fa variare le concentrazioni di carbonio in entrambi i serbatoi. Se per qualche motivo, diminuisce la pressione pCO₂ dell´acqua, si produce un passaggio netto di molecole di CO₂ dell´aria verso il mare. Cosí l´oceano assorbe CO₂ dell´aria e aumenta la pCO₂ dell´acqua di nuovo e viceversa.
La pressione della CO₂ nell´acqua (pCO₂) dipende direttamente della sua concentrazione e inversamente della sua solubilitá. Per esempio, quando l´acqua si raffredda, la solublitá della CO₂ aumenta, perché i gas sono piú solubili in acqua fredda che calda, con questo diminuisce la pCO₂ nell´acqua. Si produce uno squilibrio tra le pressioni pCO₂ della superficie dell´acqua e l´aria a contatto con questa, e allora l´acqua assorbe piú CO₂ aumentando la sua concentrazione. Come conseguenza, diminuisce la concentrazione di CO₂ nell´aria. Il processo inverso succede quando l´acqua si riscalda. Pertanto, in principio, nelle epoche di raffreddamento delle acque, l´oceano assorbe CO₂ dall´aria e fa diminuire la sua concentrazione nell´atmosfera, e al contrario, nelle epoche in cui le acque si riscaldano, l´oceano rilascia CO₂ e aumenta la concentrazione di CO₂ nell´atmosfera.
Nei processi di interscambio tra mare e aria é importante tenere conto delle correnti termoaline, che fanno sí che in alcune regioni le correnti marine, che portano con sè CO₂ disciolto, affondano e in altre zone affiorano. Attualmente in alcune regioni ad alte latitudini, mari nordici e del Labrador e mari costieri antartici, l´acqua fredda superficiale, ricca di CO₂, affonda portando con sé il carbonio che con le correnti profonde oceaniche, si sparge in tutti gli oceani. In altre zone l´acqua marina profonda affiora in superficie e riscaldandosi  si sovrasatura ,  rilasciando la CO₂ nell´aria. Le zone  piú importanti di ventilazione si trovano nelle zone tropicali del Pacifico e nei mari del Sud . Si produce anche affioramento di CO₂ nelle zone litorali del margine orientale degli anticicloni subtropicali, nelle aree di correnti fredde, come quelle delle correnti della California e Canarie al Nord e di Humboldt e Benguela, nell´emisfero Sud.
Pertanto l´affondamento (downwelling) e l´affioramento (upwelling) dell´acqua provocato da queste correnti termoaline, cui i flussi globali di carbonio sono molto importanti e differenti, da circa 25 e 28 PgC/anno rispettivamente, contribuiscono al riciclaggio della CO₂ tra i mari e l´aria. La sua alterazione modifica i flussi di interscambio e altera la concentrazione di CO₂ nell´atmosfera. Se l´intensitá della ventilazione rallenta, le acque oceaniche profonde non rilasciano la CO₂ di cui sono caricate nel pompaggio biologico e, di conseguenza, la concentrazione di CO₂ diminuisce nell´atmosfera. Al contrario, se il circuito termoalino si intensifica, la ventilazione oceanica aumenta e la concentrazione di CO₂ nell´atmosfera aumenta anch´essa.
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