氧元素有三种稳定同位素，氧16、氧17和氧18，它们的原子核里分别有8、9、10个中子。自然界中氧16占绝对多数，其次是氧18。由氧18与氢结合形成的水，比普通水要重一点（不是一般意义上的“重水”），相对来说更难蒸发，更容易凝结成雨雪落下来。大气流动把海洋上蒸发起来的水搬运到两极，在南极和格陵兰的冰原上形成新一年的降雪。如果当年气温比较高，雪中氧18的比例就会高一些，反之就低一些。冰雪一层层堆积起来，就成了一部气温纪录。冰芯的累积速率、气体和杂质含量还可以告诉我们当年的降水量、大气成分甚至火山活动等情况。
　　因为陆地上的水是从海洋里蒸发出来的，含更多的氧16，当两极的冰多时，海水中的氧18就相对增多，反之则减少。海水中氧同位素相对含量会在海洋生物身上体现出来，因为一些生物需要从周围的海水中获取钙、碳和氧元素，来生成自己的碳酸钙硬壳。生物死亡后，一些介壳沉入海底被埋藏起来，留下当时气温高低和全球冰量多少的证据。此外，生物细胞生长会对碳同位素有所挑选，更倾向于较轻的碳12，而把碳13留在环境里，从而影响海水中碳同位素的相对含量，这在海底沉积物中也会留下记录。沉积物里还有泥沙、灰尘、植物遗骸乃至宇宙尘埃，从多种角度提供当时地球环境的信息。在陆地上，不同的植物体内具有不同的碳同位素值

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