Les océans jouent un rôle primordial dans les cycles biogéochimiques de la planète et dans la régulation du climat. C'est grâce à eux si la Terre est habitable. Les océans participent au contrôle du climat par les échanges de chaleur et par le partage, avec l'atmosphère, de gaz actifs sur le plan climatique. Si la recherche a permis de mettre au jour le cycle global du CO2 et sa composante océanique, ce n'est pas le cas d'autres gaz qui jouent également un rôle dans le contrôle climatique, comme le sulfure de diméthyle et l'oxyde nitreux.

Les changements climatiques affectent l'ensemble des êtres vivants d'un milieu donné, mais leur réponse à ces perturbations varie d'un écosystème à l'autre. Ces perturbations peuvent affecter la biodiversité en désynchronisant les niveaux trophiques, soit le rang qu'occupe chaque être vivant dans une chaîne alimentaire. Ces phénomènes sont encore plus marqués dans le Nord en raison du faible nombre d'espèces et de la présence de populations migrant sur de longues distances. Cette dynamique est étudiée autant sur les herbivores que sur les ongulés et les espèces aquatiques grâce à des suivis à long terme des populations.

La modélisation permet de substituer un système complexe par une représentation simplifiée, le modèle, afin d'en faciliter la compréhension et de rendre possible son étude. La modélisation numérique intègre les modèles conceptuel (schéma), mathématiques (système d'équation) et informatique (programme/logiciel) pour étudier les modifications du système étudié et faire des prédictions. Par exemple, il est possible de coupler les aspects biologiques et chimiques d'un milieu aquatique avec les aspects hydrodynamiques et thermiques de ce dernier afin d'étudier l'effet de variables comme la lumière, la température et les nutriments sur la dynamique du plancton et des poissons. La modélisation numérique nécessite toutefois d'être calibrée et validée par des observations sur le terrain.

Cette discipline, qui fait partie des sciences de la Terre, fait appel à la biologie, la chimie, la géologie et la physique pour étudier plusieurs aspects des océans et des mers. Les travaux des océanographes portent sur la tectonique des plaques, les grands cycles biogéochimiques, les courants océaniques, les écosystèmes marins et les liens entre océans et changements climatiques.

La paléoécologie est une science qui étudie les relations des êtres vivants fossiles avec leur milieu de vie à l'aide d'analyses physico-chimiques et biologiques. Par exemple, le laboratoire de paléoécologie aquatique du Centre d'études nordiques permet d'analyser les fossiles préservés dans les dépôts sédimentaires de lacs, d'étangs et de tourbières nordiques de façon à retracer les changements climatiques et environnementaux survenus dans des époques lointaines (Pléistocène et Holocène). La dendroécologie, qui consiste à analyser les largeurs des cernes de croissance des arbres, permet également de transformer les arbres en archives environnementales et de dater certaines perturbations.

Cet axe de recherche du Centre d'études nordiques rassemble des scientifiques qui s'intéressent aux systèmes nordiques tout au long de l'histoire glaciaire et postglaciaire pour expliquer leur fonctionnement actuel. Ils étudient la biodiversité, les interactions entre les espèces et les conséquences des perturbations sur la structure et la composition des milieux nordiques.