Paleoklimatologia
Mittaukset jääkairausnäytteistä

Ilmaston kehittymistä tutkitaan muun muassa seuraamalla happi-isotooppien suhteita jäätiköissä. Jäähän kairataan hyvin syvä reikä, josta saadaan pötkömäisiä jäänäytteitä. Koska jäätikölle satanut lumi jää uusien sateiden alle, tiivistyy se lumen painon alla tiukkaan ja muuttuu paineesta johtuen lopulta jääksi. Johtoajatuksena on, että mitä syvemmältä kairataan jäänäytteitä, sen vanhempia ne ovat. Kairausnäytteen ikä lasketaan kerroksien lukumääristä, sillä vuodenaikojen vaihtelut näkyvät näytteissä.
Jää on veden kiinteä olomuoto, ja vesimolekyylissä on kaksi vety- ja yksi happiatomi (kaava: H2O). Veden hapessa esiintyy yleisempinä kahta isotooppia, joita merkitään esimerkiksi 16O (painoltaan kevyempi) ja 18O (raskaampi). Isotooppia 18O esiintyy keskimäärin 0,20 % hapen määrästä, kun taas isotooppia 16O on 99,76 %. Kairausnäytteissä hapen isotooppien osuudet kuitenkin vaihtelevat. Isotooppien määrän vaihteluita ilmoitetaan suhdelukuna δ18 (luetaan: delta-O18), joka lasketaan lausekkeella:
Koska vesimolekyyli, jossa on happena 18O ja joka siksi painaa enemmän, haihtuu merestä hieman hitaammin, kuin 16O sisältävä vesimolekyyli. Pilviin kertyy siten vettä, jonka 18O pitoisuus on alempi kuin veden 18O- pitoisuus. Pitoisuuteen vaikutta lisäksi ilman ja veden lämpötilat. Lämpöisissä oloissa 18O- pitoisuus kohoaa, koska raskaamman veden haihtuminen paranee silloin huomattavasti.
Navoille, ja jääkauden aikana muillekin jäätiköille, meren haihtunut kosteus kulkeutui tuulten mukana ja satoi siellä lumena alas jäätikölle. Kylmistä meristä syntyneet pilvet sisältävät pieniä 18O- pitoisuuksia. Jos lämpimien merien synnyttämät pilvet pääsisivät satamaan jäätiköille, nousisi 18O- pitoisuus. Ilmastomallien mukaan päiväntasaajan seutujen kosteutta satoi jäätiköille runsaammin juuri silloin, kun maapallolla oli keskimääräistä kylmempää. Suuret lämpötilaerot jäätikköalueiden ja päiväntasaajan välillä kääntävät tuulet useimmin jäätiköille päin. Sateet jäätiköillä lisääntyivät ja sateet sisälsivät runsaasti lämpimän meren korkeita 18O- pitoisuuksia.
Tämän mallin mukaan suuret 18O-määrät kairausnäytteissä kertovat ilmaston kylmenemisestä, koska jääkausi viilentää ilmastoa eniten napojen lähettyvillä.
Happi-isotooppien vaihteluita voidaan mitata myös merenpohjan kerrostumissa olevien kotiloeläinten kuorista. Happi-isotooppitutkimuksen keksi tanskalainen tutkija Willi Dansgaard, joka oli porauttamassa ensimmäistä jäänäytettä 1966. Suoraan esimerkiksi Grönlannin jään happi-isotoopin muutos ajan mukana ei lämpötilanmuutoksia kerro, koska jääkaudella kulkeutui eri määriä raskasta happea kuin nyt ja happi-isotoopin määrän ja lämpötilan suhde oli silloin erilainen.
Lämpötila voi myös vaihdella eri alueilla eri tavalla. Ajoitukset, jotka on tehty muun muassa jäästä otetuista hiilidioksidikuplista, ovat hyvin epätarkkoja ja vaihtelevat tuhansia vuosia eri jäänäytteiden välillä. Näin ollen jäänäyte kertoo tarkimmin lämpötilan muutosjärjestyksen, joka sekin on arvokas tieto tutkijoille. Muita lämpötilailmaisimia ovat raskas vety sekä hiilidioksidin ja metaanin määrät. Raskasta vetyä on vedessä ja se toimii lämpötilailmaisimena samaan tapaan kuin 18O. Metaanin ja hiilidioksidin määrät mitataan jäässä olevista pienistä ilmakuplista. Metaania ja hiilidioksidia on lämpimämpinä aikoina enemmän, koska kasvit tuottavat niitä ja ne ovat itse kasvihuonekaasuja, jotka lämmittävät ilmaa.