Az oxigénizotópos módszer alapja az, hogy az ¹⁸O és az ¹⁶O aránya a légkörben a szoláris aktivitásnak, a napsugárzás erősségének függvényében változik. Az ¹⁸O stabil izotóp, ami az ¹⁶O-ból keletkezik a felszín közeli légkörben a napsugárzás hatására. Az oxigént tartalmazó anyagokba (vízben, hóban, jégben) a levegőben levő mindenkori ¹⁸O/¹⁶O arányban épül be az oxigén. A szoláris aktivitás növekedése hőmérsékletemelkedést, csökkenése pedig lehűlést eredményez, ami az ¹⁸O/¹⁶O arány mérésével követhető és kifejezhető. A felszíni óceánvízben az ¹⁸O/¹⁶O aránya jelenleg stabilnak tekinthető, ezért a minták ¹⁸O tartalmát ehhez lehet viszonyítani. Az eltérés iránya és nagysága mutatja meg azt, hogy a vizsgált időszakban a szoláris aktivitás erőssége, így a hőmérséklet milyen irányban és mértékben tért el a maitól (155. ábra).

Harold Urey termodinamikai számítások alapján mutatta ki, hogy az ¹⁸O és ¹⁶O izotópok karbonátokban és vízben történő megoszlása hőmérsékletfüggő. Ha a tengervíz oxigénizotóp-összetételét a földtörténet során állandónak tekintjük, a megoszlás hőmérsékletfüggésének és a karbonát izotópösszetételének ismeretében annak képződési hőmérséklete egyszerűen számolható. A paleoklimatológiai alkalmazások másik szempontja a vizek (jég) izotópösszetételének változása. A jégsapkák kialakulásának és olvadásának következtében a tengervíz ¹⁸O- és D-tartalma változik, ami tükröződik a kontinentális területeken hullott csapadékban (Demény, 2004).

A legnagyobb szabású oxigénizotópos vizsgálatsorozatot egy amerikai–dán–svájci kutatócsoport hajtotta végre az 1970-es években a Greenland Ice Sheet Program keretében. A grönlandi jégtakaró középső részén a jég teljes keresztmetszetéből vettek fúrómag mintákat. A jégminták elemzésénél először meghatározták a jégoszlop egyes rétegeinek korát a felhalmozódás éves ritmusa és a nyomásviszonyok számítógépes modellezése alapján. A következő fázisban kivonták az egyes rétegekbe zárt levegőt és meghatározták a két izotóp arányát, amiből az adott réteg keletkezése idején jellemző hőmérsékleti viszonyokra következtettek. Megmérték ezen kívül a fosszilis légbuborékok nyomgáz és nyomelem tartalmát, ami értékes információt jelent például a szén-dioxid és az ólom légköri koncentrációjának változásaira vonatkozóan a történelmi korok során. Az oxigénizotópos módszerrel előállított nagypontosságú grönlandi hőmérsékleti adatsor különösen nagy jelentőségű mivel viszonyítási alapként szolgál az európai és kárpát-medencei klíma rekonstrukció során (Demény, 2004).

155. ábra. A fanerozoikum klímaváltozásai a jelen felé haladva egyre részletesebben (Rohde, 2006 ábrái alapján módosítva)