산소 동위원소비는 질량이 다른 산소 원자의 상대적인 양이다. 고기후 연구에서는 물과 탄산염 등에 보존된 산소 18과 산소 16의 비를 이용한다. 이 기록은 과거의 온도뿐 아니라 물의 이동과 빙하량 등 여러 환경 조건의 영향을 반영한다.
동위원소 분별
산소 16을 포함한 물은 상대적으로 쉽게 증발하고 산소 18을 포함한 수증기는 쉽게 응결한다. 수증기가 추운 극지방으로 이동하면서 강수가 반복되면 무거운 산소가 먼저 빠져나가 남은 수증기와 눈의 산소 18 비율이 낮아진다.
극지방 빙하
극지방의 눈이 쌓여 만들어진 빙하에서는 일반적으로 추운 시기의 산소 18 대 산소 16 비가 낮고 따뜻한 시기의 비가 높다. 이 해석은 빙하 전체의 양이 아니라 얼음에 포함된 물의 동위원소 조성을 대상으로 한다.
해양 탄산염
빙하기에는 산소 16이 풍부한 물이 대륙 빙하에 저장되어 해수의 산소 18 비율이 상대적으로 높아진다. 탄산칼슘 껍데기에 산소가 들어가는 과정도 수온의 영향을 받는다. 따라서 해양 탄산염 기록은 일반적으로 추운 시기에 산소 18 비율이 높아지는 경향을 보인다.
자료의 해석
그래프를 읽을 때는 시료의 종류와 세로축의 비율을 먼저 확인한다. 산소 18 대 산소 16의 비를 뒤집으면 수치 변화의 방향도 바뀐다. 실제 연구에서는 표준물질에 대한 차이인 델타값을 사용하며, 해수의 동위원소 조성과 지역적인 강수 등도 고려한다. 산소 동위원소비만을 모든 환경에서 동일하게 작동하는 온도계로 볼 수는 없다.