英國南極考察處的冰川學家羅伯特·穆爾瓦尼解釋道。
冰芯科學家在重建過去數千年的氣候變化方面取得成功的基石，是能夠測量過去大氣溫室氣體濃度和溫度的變化。氣體成分的測量是直接的：深冰芯中捕獲著微小的古代空氣氣泡，我們可以提取這些氣泡並使用質譜儀進行分析。相比之下，溫度不是直接測量的，而是從融化冰芯釋放的水分子的同位素組成中推斷出來的。
水由分子構成，分子包含兩個氫原子和一個氧原子（H2O）。但這並非如此簡單，因為氧有幾種同位素（化學性質相同的原子，具有相同數量的質子，但中子數量不同，因此質量也不同），氫也有幾種同位素。氣候研究特別關注的同位素是16O（具有 8 個質子和 8 箇中子，佔水中氧的 99.76%）和18O（8 個質子和 10 箇中子），以及1H（具有一個質子和零個中子，佔水中氫的 99.985%）和2H（也稱為氘 (D)，具有一個質子和一箇中子）。所有這些同位素都被稱為“穩定同位素”，因為它們不會發生放射性衰變。
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使用靈敏的質譜儀，研究人員能夠測量從冰芯中提取的樣本中氧和氫同位素的比率，並將結果與稱為 SMOW（標準平均海洋水）的平均海水標準的同位素比率進行比較。冰芯中的水分子總是貧乏較重同位素（即，具有更多中子數量的同位素），與標準的差異表示為18O 或 D。這兩個值本質上講述的是同一個故事——即，寒冷時期18O 和 D 的含量比溫暖時期少。這是為什麼呢？簡單來說，從海洋表面蒸發含有重同位素的水分子需要更多的能量，並且，隨著潮溼空氣向兩極輸送並冷卻，含有較重同位素的水分子優先在降水中流失。這兩個過程，被稱為分餾，都與溫度有關。
在極地地區的許多地點，科學家們測量了多年來採集的現代降雪樣本中18O 和 D 與年平均氣溫之間近乎線性的關係。這種關係可以用於校準同位素比率溫度計，儘管在冰河時代氣候期間，校準會略有變化。繪製18O 或 D 沿冰芯長度的深度圖，揭示了溫度的季節性振盪，研究人員還可以計數年層以確定它們的年代。從南極冰蓋中深度超過三公里的最深冰芯中，我們可以清楚地看到大約 10 萬年週期冰河時代的穩定脈動。從南極洲一個名為 Dome C 的地點，我們最近重建了過去 75 萬年的氣候，並展示了七個冰河時代，每個冰河時代都穿插著溫暖的間冰期氣候，例如我們今天所處的氣候。