Oksijen izotopu, oksijeninin iki izotopu arasındaki oranın hassas ölçümü üzerine kuruludur. Bu izotoplar; en yaygın olan O16 ile bu izotoptan daha ağır olan O18 izotopudur. Daha hafif olan O16 izotopu okyanuslarda daha kolay buharlaşır. Bu nedenle yağış, (böylelikle oluşturabileceği buzullar) O16 bakımından zenginleşir. Bu durum daha ağır olan O18 izotopunun, okyanus sularında daha büyük konsantrasyonlarda kalmasına neden olmaktadır. Böylece, buzulların geniş alanları kapladığı dönemlerde daha hafif olan O16 izotopu daha fazla miktar buzullarda bulunur ve bu nedenle de deniz suyundaki O18 konsantrasyonu artar. Tam tersi durumlarda ise; buzul çağı buzullarının önemli ölçüde azaldığı daha sıcak olan buzul çağları arası dönemlerde ise daha fazla O16 denize döner ve bu nedenle okyanus suyundaki O18 oranı O16’ya kıyasla düşer.
Bazı organizmalar kalsiyum karbonat (CaCO3) salgılarken, ortamda hakim olan O18/ O16 oranı da bu katı kısımların bileşimine yansıtılır. Organizmalar öldüğünde, katı kısımları okyanus tabanında çökerek oradaki çökelti tabakasının parçası olur. Netice olarak, buzul aktivitesi dönemleri, derin deniz çökeltilerin de gömülü bazı organizmaların kabuklarında bulunan oksijen izotop oranındaki değişimlerden belirlenebilmektedir.
O18/ O16 oranı sıcaklık ile de değişir. Sıcaklıklar yüksek seyrettiğinde okyanuslardan daha fazla O18 buharlaşır. Sıcaklıklar daha düşük olduğu dönemlerde ise daha az O18 buharlaşmaktadır. Bu nedenle, bu ağır izotop sıcak dönem yağışlarında daha bol miktarda iken soğuk dönem yağışlarında daha az bulunmaktadır. Bu prensip kullanılarak, buzullardaki buz ve kar tabakalarını inceleyen bilim adamları geçmişe ait sıcaklık değişim kayıtlarını ortaya çıkarabilmişlerdir.
Yer sisteminin parçalarını bağlantılı olduğunu ve bu nedenle bir parçadaki değişimin diğer parçaların herhangi birinde veya tamamında değişimler üretebilmektedir. Deniz tabanı çökeltilerinin çoğu bir zamanlar deniz yüzeyine yakın kısımda yaşayan organizmaların kalıntılarını içerir. Yüzey yakınında yaşayan böyle organizmalar öldüklerinde onların kabukları tortul kayıtların parçası olacakları okyanus tabanına doğru yavaşça çökerler. Deniz yüzeyine yakın yaşayan organizmaların sayıları ve tipleri iklim ile değiştiği için bu deniz tabanı çökeltileri dünya çapındaki iklim değişikliğinin yararlı kayıtçıları olmaktadırlar.
Okyanus/atmosfer ara yüzeyinin herhangi bir alanında okyanusun ortalama yıllık yüzey suyu sıcaklığının atmosferin sıcaklığına yakın olması gerektiğini bilmekteyiz. Bu yüzeydeki deniz suyu ve hemen üzerindeki hava arasında kurulan sıcaklık dengesidir. İklimdeki değişimlerin deniz tabanı yakınında yaşayan organizmalardaki değişimlerde gözlenmiştir. Uçsuz bucaksız okyanus alanlarındaki deniz tabanı çökeltilerinin çoğunlukla açık deniz foraminiferlerinin kabuklarını içerdiği ve bu hayvanları su sıcaklığındaki değişimlere duyarlı olması bu tip çökeltilerin iklim değişikliği arasındaki bağlantı belirgin hale gelir. Böylece bilim adamlar, iklim değişikliği ve diğer çevresel dönüşümleri anlamanın peşinde koşarken deniz tabanı çökelleri içerisindeki muazzam veri deposundan da yararlanmaktadırlar sondaj ve diğer araştırma gemileri tarafından toplanan çökel karotlarını (O18/ O16) oksijen izotop analizini kullanarak geçmiş iklimler hakkındaki bilgilerimizi önemli şekilde arttırmaktadırlar.
Buzul karotları geçmiş iklimlerin tekrar inşası için vazgeçilmesi zor bir veri kaynağıdır. Grönland ve Antarktika buz örtülerinden alınan düşey karotlar üzerine yapılan araştırmalar iklim sisteminin nasıl işlediğine dair temel anlayışımızı değiştirmektedir.Bilim adamları, verileri; petrol kuyusu açma aletinin küçük bir versiyonunu andıran bir sondaj aleti ile toplamaktadır. Buzun içine doğru girerken delme aletinin baş kısmını takip eden içi boş bir mil sayesinde bir buz karotu çıkarılır. Bu şekilde, çalışmalarda kullanmak üzere bazen boyca 2000 metreyi geçen ve iklimin 200.000 yıldan daha uzun tarihini temsil edebilen karotlar elde edilir.
Buzullar değişen hava sıcaklığı ve kar yağışı hakkında detaylı bir kayıt sağlar. Buzullarda tutulan hava kabarcıkları atmosferin bileşimindeki değişimleri kaydeder. Karbondioksit ve metandaki değişimler sıcaklıktaki dalgalanmalarla ilişkilendirilmektedir. Buzul karotları rüzgarların taşıdığı toz, volkanik kül, polen ve modern-zaman kirleticileri gibi atmosferik serpintileri de içerir.
Buzul karotlarından elde edilen tüm bu veriler ışığında da geçmişe ait sıcaklıkları oksijen izotop analizi(O18/ O16) ile belirlenmektedir. Bilim adamları bu tekniği kullanarak geçmişe ait sıcaklık değişimlerinin bir kaydını ortaya koyabilmektedirler.
Geçmiş iklimler hakkında bilgi edinmekte kullanılan diğer dolaylı veri kaynakları; fosilleşmiş polenler, mercanlardır (mercan resifleri). Fosilleşmiş polen; iklim bitkilerinin dağılımını etkileyen önemli bir faktördür. Bu nedenle bir alanı kaplayan bitki topluluğunun doğası iklimin bir yansımasıdır. Polen ve üreme cisimcikleri pek çok bitkinin hayat döngülerinin parçalarıdır ve dayanıklı duvarlara sahip oldukları için çoğu zaman çökeltilerde en çok bulunan, kolayca tanınabilen ve en iyi korunmuş bitki kalıntılarıdır. Doğru şekilde yaşlandırılmış çökeltilerden elde edilen polenleri analiz ederek bir alandaki bitkisel değişimlerin yüksek çözünürlüklü kayıtlarını da elde etmek mümkündür. Geçmiş iklimler bu tip bilgiler ile yeniden inşa edilebilmektedir.
Mercan resifleri ise; sığ, sıcak sularda yaşayan ve eski mercanların arkalarında bıraktıkları katı kısımların üzerinde oluşan mercan kolonilerinden ibarettir. Mercanlar katı iskelet kısımlarını deniz suyundan çıkardıkları kalsiyum karbonattan(CaCO3) inşa ederler. Karbonat, mercanların içerisinde büyüdükleri suyun sıcaklığını belirlemek için kullanılabilecek oksijen izotoplarını içerir. İskeletin kış mevsiminde oluşan kısmı, büyüme oranlarında sıcaklık ve diğer çevresel faktörlerle ilişkili değişimlerden dolayı, yaz mevsiminde oluşan kısımlardan farklı yoğunluğa sahiptir. Böylece, mercanlar ağaçlarda gözlenenlere çok benzeyen mevsimsel byüme bantları gösterirler. Mercanlardan elde edilen iklim verisinin doğruluğu ve güvenirliği, son zamanlara ait aletsel kayıtlar aynı döneme ait mercan kayıtları ile karşılaştırılarak belirlenmektedir. Mercan büyüme halkalarının oksijen izotop analizi(O18/ O16), özellikle yıllık yağış miktarlarında büyük değişimlerin meydana geldiği yerlerde yağış için dolaylı bir ölçüm olarak da görev yapmaktadır.
