Genom att studera olika klimatkänsliga parametrar i naturliga arkiv får vi ledtrådar om klimatets variationer bakåt i tiden. Exempel på naturliga arkiv är torv från våtmarker, sediment från sjöar och hav, trädringar, iskärnor och droppstenar. Det finns en uppsjö av klimatkänsliga parametrar att studera i dessa arkiv. Vad man väljer att undersöka beror på vilken typ av arkiv man har tillgång till, hur de lokala förutsättningarna ser ut och vilken typ av information man är intresserad av.

En viktig del i studiet av naturliga arkiv är dateringen. Åldersbestämningen kan göras med hjälp av olika fysikaliska eller kemiska metoder som till exempel beräkning av årliga varv eller kol-14-metoden. Denna så kallade åldersmodellering är en förutsättning för att vi ska kunna bedöma när och ungefär med vilken hastighet klimatvariationerna har skett.

Stabila isotoper

Isotoper är olika varianter på samma grundämne, men med olika tung atomkärna. Skillnaden i vikt gör att atomer från samma grundämne ibland reagerar olika på förändringar i omgivningen, som till exempel klimatet. Man kan använda isotoper som klimatarkiv i till exempel iskärnor, sediment, trädringar och droppstenar. 

Vissa grundämnen existerar i lite lättare och lite tyngre former, så kallade isotoper. Kol finns till exempel vanligtvis som kol-12, kol-13 och kol-14, där kol-12 är lättare än de andra isotoperna. Isotopernas specifika egenskaper gör att de reagerar på olika sätt vid en förändring i den omgivande miljön. Man kan utnyttja denna skillnad i fysikalisk och kemisk reaktionsförmåga för att undersöka variationer i till exempel klimat eller vegetation. Detta gör man genom att studera hur förhållandet mellan de lätta och tunga isotoperna förändras över tid.

Vatten innehåller syre (O) och väte (H), och båda dessa grundämnen har flera isotoper. Syrets olika stabila former kallas O-16, O-17, O-18. Sammansättningen av dessa isotoper i vattnet är starkt kopplad till lufttemperatur och nederbördsmängd. När det regnar är det till exempel den tunga O-18 som faller ned först som nederbörd, och molnet kommer efteråt att innehålla mer av de lättare isotoperna. Regnet har alltså en specifik isotop-signatur, som kan variera från plats till plats, och från en gång till en annan. Denna signatur bevaras i klimatarkiv där vatten är en viktig faktor vid bildandet, exempelvis i iskärnor, trädringars cellulosa eller växtdelar som har begravts i sjösediment. Att analysera isotoper i arkiven kan alltså ge information om hur klimatet varierat på en viss plats över tid. På mycket långa tidskalor studerar man isotoperna i iskärnor för att förstå hur mycket vatten som har funnits bundet i inlandsisarna. Man får på så sätt en bild av hur klimatet växlat mellan kalla istider och varmare mellanistider.

För att bestämma åldern på gamla sediment mäter man ofta innehållet av den radioaktiva kol-isotopen kol-14. Men man kan även analysera de stabila isotoperna av kol i organiskt material, nämligen kol-12 och kol-13. Kolet assimileras i växter under fotosyntesen då bladen tar upp koldioxid. Olika sorters växter har en tendens att ta upp olika mycket av de olika isotoperna. I organiskt material från sedimentkärnor kan analyser av kol-isotoper därför ge information om hur vegetationen i ett område förändrats över tid. Vilka isotoper som tas upp av en växt påverkas också av tillgången till vatten. Under torrare perioder krymper bladens klyvöppningar för att spara vatten. Växten får då svårare att ta upp de tyngsta kol-atomerna. Genom att analysera kol-isotoper i trädringar kan man på detta sätt kartlägga om vissa år bakåt i tiden varit torrare än andra. 

Mikrofossil – pollen och kiselalger 

Sjösediment och torv innehåller ofta rester av växter och djur som har levt i omgivningen. Genom att undersöka den tidigare florans och faunans sammansättning kan forskarna ta reda på vilket klimat som har rått när avlagringarna en gång bildades.

Ett bra sätt att studera hur vegetationen förändrats är att studera pollenkorn som har bevarats i sedimenten. Pollenkorn är mycket små, mellan 5 och 100 mikrometer, så för att identifiera dem behöver man använda sig av ett ljusmikroskop. Pollenkornens form, storlek och ytstruktur är ofta unik för en specifik art. Genom att räkna sammansättningen av pollen längs en sedimentkärna kan man få en bild av hur olika träd, buskar och örter har varierat över tid på just den platsen.  

Kiselalger, eller diatoméer, är vattenlevande organismer vars kiselskal ofta bevaras i sjösediment. Dessa skal har specifika former och mönster som går att koppla till deras artnivå. På samma sätt som pollenkorn kan man studera kiselalgerna i mikroskop. Växlingar mellan olika arter av kiselalger kan ge information om hur förhållandena i sjön har förändrats över tid, till exempel hur temperatur och vattendjup varierat. Dessa studier kan till exempel ge en förståelse för kopplingar mellan hydrologi och klimat.