扩散是物质或能量从高浓度向低浓度扩展的现象。在海洋中，有分子运动引起的扩散和湍流运动引起的扩散。分子扩散是由海水的物理性质决定的，而湍流扩散是湍流运动的结果，比分子扩散快几个量级。只有在湍流运动微弱、非常平静的海洋中，分子扩散的作用才变得明显。虽然海水中的很多物质都会发生扩散，但影响海水密度的物质有两种：温度和盐度。然而，温度和盐度的分子扩散率是不同的，海洋的分子热扩散系数α为1.4×10^-7平方米/秒，而盐度的分子扩散系数β为2.0×10^-9平方米/秒，温度的扩散通常比盐度扩散快百倍以上。将一团暖而咸的水体放置到冷而淡的水体中，这团水体将首先变冷，一段时间后才会变淡。这种现象称为双扩散。双扩散的主要结果有两种：温盐阶梯和盐指。

相对暖而高盐的水层位于相对冷而低盐的水层之上时，在界面处发生盐度较大的水向下呈指状扩展的现象，称为盐指（salt finger）。当暖而高盐的海水微团向下进入冷而低盐的海水中，首先失去热量，密度变大，比周边水体较重而下探，直到抵达与其密度相当的水层，形成盐指。盐指很细，长度可达20～30厘米。赫珀特和马宁斯1973年指出，当满足以下条件时，盐指过程就会发生：

式中ΔS和ΔT分别为两水层的盐度差和温度差。公式表明，只要很小的盐度差就能形成盐指现象。盐指普遍存在于大西洋、印度洋、地中海等上层盐度高于下层的平静海洋中，其水平范围可以相当大。一旦有风暴过境，盐指结构就会被破坏。

相对暖而高盐的水体位于相对冷而低盐的水之下时，将发生温盐阶梯现象。温盐阶梯是指在垂直剖面上温度和盐度曲线都呈阶梯形状，阶梯的高度一般在1～2米，有些垂直梯度较大的地方，阶梯的高度要大一些，观测到的最大阶梯可达25米，有些海域还发生大小阶梯交错发生的现象。每个阶梯之间的温度差为0.004～0.012℃。温盐阶梯发生的典型海域是北冰洋。北冰洋的上层是低温、低盐的北极上层水，水层厚度大约为200～300米。其下是从大西洋进入北冰洋并下沉的高温、高盐的北极中层水，也称为大西洋水，广泛分布在加拿大海盆250～800米的深度，具备了温盐阶梯发生的条件。在温盐不同的两层水体的界面上，界面之下的高盐海水会因失热较快而冷却下沉，失去的热量加热了界面之上的低盐海水，使其因受热较快而上升，形成局部的双扩散对流。在界面处，其上因浮力对流而变得均匀，其下因重力对流而变得均匀，形成阶梯型结构。由于失热和受热的量通常不大，对流的高度也不大。因此，实际的温盐阶梯是由很多阶梯衔接而成的。在双扩散阶梯发生的海域，密度层化很强，严重抑制了海水向上的热传导，使海洋深处的热量不能有效地进入海洋上层。

双扩散现象是以分子扩散为基础的运动形式，但并不限于分子运动状态。海洋中的雷诺数（惯性力与黏性力比值的量度，它是一个无量纲数）往往超过湍流的阈值，大都处于湍流运动状态。双扩散现象存在的物理基础是垂直方向上湍流运动非常微弱。导致湍流运动微弱的原因是海洋的层化，密度跃层的存在抑制了湍流运动，使得密度结构整体上非常稳定，也使得湍流运动各向异性。双扩散现象的普遍性表明，在垂直方向湍流运动比较弱的区域，就可以发生双扩散现象。