英国南极考察处的冰川学家罗伯特·穆尔瓦尼解释道。
冰芯科学家在重建过去数千年的气候变化方面取得成功的基石，是能够测量过去大气温室气体浓度和温度的变化。气体成分的测量是直接的：深冰芯中捕获着微小的古代空气气泡，我们可以提取这些气泡并使用质谱仪进行分析。相比之下，温度不是直接测量的，而是从融化冰芯释放的水分子的同位素组成中推断出来的。
水由分子构成，分子包含两个氢原子和一个氧原子（H2O）。但这并非如此简单，因为氧有几种同位素（化学性质相同的原子，具有相同数量的质子，但中子数量不同，因此质量也不同），氢也有几种同位素。气候研究特别关注的同位素是16O（具有 8 个质子和 8 个中子，占水中氧的 99.76%）和18O（8 个质子和 10 个中子），以及1H（具有一个质子和零个中子，占水中氢的 99.985%）和2H（也称为氘 (D)，具有一个质子和一个中子）。所有这些同位素都被称为“稳定同位素”，因为它们不会发生放射性衰变。
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使用灵敏的质谱仪，研究人员能够测量从冰芯中提取的样本中氧和氢同位素的比率，并将结果与称为 SMOW（标准平均海洋水）的平均海水标准的同位素比率进行比较。冰芯中的水分子总是贫乏较重同位素（即，具有更多中子数量的同位素），与标准的差异表示为18O 或 D。这两个值本质上讲述的是同一个故事——即，寒冷时期18O 和 D 的含量比温暖时期少。这是为什么呢？简单来说，从海洋表面蒸发含有重同位素的水分子需要更多的能量，并且，随着潮湿空气向两极输送并冷却，含有较重同位素的水分子优先在降水中流失。这两个过程，被称为分馏，都与温度有关。
在极地地区的许多地点，科学家们测量了多年来采集的现代降雪样本中18O 和 D 与年平均气温之间近乎线性的关系。这种关系可以用于校准同位素比率温度计，尽管在冰河时代气候期间，校准会略有变化。绘制18O 或 D 沿冰芯长度的深度图，揭示了温度的季节性振荡，研究人员还可以计数年层以确定它们的年代。从南极冰盖中深度超过三公里的最深冰芯中，我们可以清楚地看到大约 10 万年周期冰河时代的稳定脉动。从南极洲一个名为 Dome C 的地点，我们最近重建了过去 75 万年的气候，并展示了七个冰河时代，每个冰河时代都穿插着温暖的间冰期气候，例如我们今天所处的气候。