Toplotno onesnaževanje se nanaša na zvišanje temperature v vodnem telesu zaradi človekovih ali okoljskih vzrokov. Medtem ko se stopnja ali dve razlike morda slišita majhna, lahko segrevanje vodnega ali morskega okolja že za majhno količino povzroči uničujoče spremembe v habitatih rib, žuželk, rastlin in živali. Obstaja več glavnih vzrokov za toplotno onesnaževanje, od katerih vsak prispeva k temu, kar nekateri okoljski strokovnjaki imenujejo možna okoljska katastrofa.
Eden glavnih vzrokov toplotnega onesnaževanja je industrijska uporaba vode kot hladilne tekočine. Tovarne in elektrarne običajno uporabljajo bližnje vire vode, da ohranjajo stroje hladne in funkcionalne. Čeprav je ta oblika postopka hlajenja poceni in učinkovita, lahko uniči vodne ekosisteme. Voda se običajno odvaja stran od vira, teče skozi hladilne sisteme v tovarni ali obratu, nato pa se vrne v prvotni vir.
Na žalost se v procesu hlajenja strojev temperatura vode dvigne, včasih za nekaj stopinj. Pritok tople ali vroče vode nazaj v naravni vir lahko uniči vire hrane ali ubije vrste, ki potrebujejo določeno temperaturo za preživetje. Mnogi okoljski znanstveniki menijo, da je industrijsko ogrevanje vode največji dejavnik lokalnega toplotnega onesnaževanja.
Erozija tal in krčenje gozdov sta še dva glavna dejavnika, ki lahko povzročita nenaravno zvišanje temperature. Obalne rastline in drevesa pomagajo zasenčiti vodo in ohranjajo temperaturo pod nadzorom z zagotavljanjem zaščite pred sončno svetlobo. Ko rastline odstranimo, ne samo, da vodno telo absorbira več sončne svetlobe, zemlja, ki jo držijo koreninske strukture, pade v vodo. Erozija tal lahko povzroči dvig rek in jezer, kar ustvarja plitvejše bazene vode, ki se hitreje segrejejo.
Eden glavnih vzrokov za zaskrbljenost zaradi toplotnega onesnaženja je pomanjkanje kisika v vodi. Ribe se za preživetje pod vodo zanašajo na določeno količino kisika; ne prilagajajo se zlahka premikom ravni kisika. Toplejša kot je voda, manj kisika lahko zadrži, zaradi česar je cvetoči ekosistem v kratkem času smrtonosen za prebivalce. Poleg tega plitke in toplejše vode povečajo proizvodnjo rastlin, ki porabljajo kisik, kot so alge, ki še bolj zmanjšajo raven kisika, ko se razgradijo.
Obstaja več načinov za pomoč pri ublažitvi učinkov toplotnega onesnaženja, da se stabilizira in vzdržuje vodna okolja. Tovarne, ki uporabljajo vodo kot hladilno tekočino, lahko vgradijo hladilne stolpe in ribnike, ki vrnejo vodo na prvotno temperaturo, preden jo spustijo nazaj v naravni vir. Zagotavljanje, da imajo bregovi in obale ustrezno vegetacijo, ki zagotavlja senco in ohranja prst, lahko pomaga tudi pri preprečevanju toplotnega onesnaženja.