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C'est dans le Pacifique que se trouvent les fosses les plus profondes de la Terre, avec des profondeurs dépassant 10 000 mètres dans les fosses des Kouriles, des Mariannes et des Philippines. Il comporte également de nombreux récifs coralliens dont l'île Christmas, le plus étendu et le plus ancien atoll du monde.
Le Pacifique est parcouru par plusieurs dorsales qui forment parfois en surface des archipels linéaires. Il contient des chaînes de monts sous-marins formés par des points chauds, dont la chaîne sous-marine Hawaii-Empereur et la chaîne sous-marine Louisville.
Il est entouré par la ceinture de feu et connaît de nombreux tremblements de terre. Lorsqu'ils se produisent dans l'océan, ces derniers provoquent des tsunami (raz-de-marée). Entre 1900 et 2004, 796 tsunamis ont été observés dans l'océan Pacifique, et 17 % d'entre eux ont lieu près du Japon. Un centre international d'alerte, le Pacific Tsunami Warning Center, est chargé de l'observation et de l'alerte sur ces phénomènes.
Le Pacifique sud est parcouru par une oscillation thermique encore mal expliquée connue sous le nom d'El Niño (tous les deux à cinq ans, contrecarré par La Niña), qui exerce une influence importante sur le climat. El Niño, et son pendant atmosphérique, l'oscillation australe, donnent le phénomène appelé ENSO qui est la variation climatique la plus importante de cet océan. L'effet de ce dernier se reflète non seulement dans tout son bassin mais également déborde vers les autres régions du globe par le déplacement de la circulation atmosphérique qu'il cause.
Le Pacifique est aussi le siège de variations plus complexes : il s'y produit des phénomènes à hautes fréquences (oscillation de Madden-Julian à 60-90 jours) et d'autres à très basses fréquences (son état moyen variant sur plusieurs décennies ou siècles). Ces variations ont un effet de modulation sur ENSO et en compliquent l'analyse.
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