海面温度和大气温度有一定的函数关系，古代气温主要通过古海洋气温建模得出。国际大洋钻探计划（IODP）会开着经费几百万一天的那种船去全球大洋的各个位置钻孔取岩芯，这些样本就可以用于古气候重建。
古代海洋温度的重建主要是利用矿物如方解石/文石，古生物（如有孔虫，介型纲）化石中的钙-镁比例作为温度计。
在生源（biogenic)的方解石，或者钙质古生物化石中，镁离子替换钙离子的比例是受控于温度的，能够测量出钙-镁比，就能得出环境温度，再从环境温度推算海面温度和大气温度，这就是古气候重建的原理。
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