Il est extrêmement important pour connaître l’influence de divers facteurs sur le climat de pouvoir reconstituer la composition de l’atmosphère terrestre dans un passé lointain, ainsi que la température qui y régnait.
    Pour cela, on pratique des forages dans la glace des pôles, notamment en Antarctique, et les carottes sont ensuite "découpées en rondelles", que l’on analyse et que l’on date.

    Les forages sont très profonds jusqu’à 3270 mètres, longs et coûteux. Ils durent plusieurs années car le trépan (ou carottier), creuse le pourtour de carottes de 3m de long, et entre 10 et 20 centimètres de diamètre, qui sont remontées à chaque fois en surface, puis le trépan redescend. Pour éviter que la glace sous pression ne referme le trou, on le remplit de liquide ayant la même densité (par exemple kérozène ou plus récemment des huiles silicones ou végétales).
     Ci dessous une photo des carottes de glaces d'environ 3mètres, puis une photo du trépan et de la carotte qui en sort.




    Les carottes sont découpées en tranches de 2 à 5 cm d’épaisseurs puis fondues pour analyser dans divers spectromètres la composition des gaz et divers éléments qu’elles ont emprisonnés dans des bulles. On peut aussi fondre en continu la carotte de glace, en analysant presque instantanément les gaz dans un spectromètre laser.
    Les études sont néanmoins très longues : pour établir le schéma donnant la concentration de gaz des 600 000 dernières années, il a fallu  2 ans pour le méthane et 10 ans pour le dioxyde de carbone.
    Une étude est en cours pour remplacer le trépan à couteaux par un trépan chauffant, qui contiendrait un spectromètre laser et permettrait une analyse en continu, sans remonter l’ensemble tous les 3 mètres de longueur de carotte

    Les éléments et paramètres analysés sont principalement les suivants :
           • Variations de température au cours des âges : les isotopes de l’eau (à base d’O18 et de deutérium), ont tendance à aller dans la phase eau et neige et il y a un appauvrissement de leur concentration quand l’atmosphère est plus froide et une relation linéaire entre leur concentration dans la glace que l’on analyse et la température moyenne de l’atmosphère à cette époque.
          • Accumulation des couches de glace (stratigraphie, mesure du Be10)
           • Aérosols d’origine naturelle : Océans (Cl-, Na+, SO4=,...) - Continents (Al, Ca++, NH4+, acides organiques - Volcans (Cl-, SO4=) et feux de biomasse
           • Activité solaire,  le béryllium est formé à partir du rayonnement solaire, la concentration de ses isotopes permettant de mesurer la durée
          • Aérosols  d’origine humaine : SO4-, NO3-, métaux lourds, Cs137,…
          • Gaz atmosphériques (O18 dans l'oxygène, CO2, CH4, N2O, CO, gaz rares et leurs isotopes,…)
Insolation locale (proportion O2/N2)
     En outre on calcule les paramètres des positions relatives soleil/terre, afin de déterminer les variations et cycles de l’irradiation solaire.

    La datation se fait par plusieurs techniques comparatives :
    Pour des temps proches, on peut compter les couches annuelles de glace par stratigraphie et on connaît des dates de certains événements (par exemple éruptions volcaniques) ayant laissé des traces chimiques. On peut aussi modéliser le tassement des neiges et la formation des glaces, dans la mesure où on a mesuré les températures par analyse des isotopes de l’eau. Dans certains cas des analyses d’éléments peuvent donner des indications et des comparaisons et calages peuvent être faites entre les chronologies de forages différents.
    Les diverses mesures doivent également être cohérentes.

    Voici les résultats des variations de composition gazeuse de l’atmosphères sur les 600 derniers millénaires


    L’analyse des gaz inclus dans les glaces des pôles, et leur datation, permettent de montrer que les concentrations actuelles des gaz à effet de serre CO₂, CH₄ et N₂O sont sans précédent dans les derniers 600 000 ans, et sont donc bien dues aux rejets industrielles (y compris les transports), depuis 1850.

    Les températures ont été déterminées par des forages au pôle sur et au pôle nord. Les résultats sont très cohérents.
    Les graphiques (en noir mesures au Groenland, et en rose, violet et bleu des mesures dans des sondages différents de l'Antarctique),  montrent des successions de périodes de refroidissement et de réchauffements. Les calculs d’astronomie montrent que l’irradiation solaire qui varie en fonction des positions terre/soleil sur son orbite, ainsi qu’une action lente des réchauffements augmentent la teneur en CO2 et les accélèrent par effet de serre.
    Mais ces variations naturelles au cours des âges, de CO₂ et de réchauffement sont lentes, sur plusieurs dizaines de milliers d'années alors que l’actuelle production par l’homme est, à cette échelle, très brutale (sur 150 ans) et donc due à l'activité humaine); elle provoque un forçage radiatif, qui entraînera malheureusement un changement climatique certain.