Die erdgeschichtliche Entwicklung von Klima und Ozeanographie wird mittels "natürlicher Klima-Archive" (z.B. Sedimentkerne, Korallen, Mangankrusten) aus ozeanischen Schlüsselregionen untersucht. Dazu wird die zeitliche Variabilität von Umweltparametern, wie der Wassertemperatur und -salinität, der marinen Produktivität und der Nährstoffnutzung, des globalen Eisvolumens, der chemischen Signatur von Wassermassen oder des Verwitterungseintrags in den Ozean mit einem Spektrum verlässlicher "Näherungswerte" - den Proxies - rekonstruiert. Das Verständnis der Prozesse, die zur Signalbildung der Proxies führen, ihre Kalibrierung, Validierung und Anwendung, sowie die Entwicklung neuer Proxies sind Grundlage der Paläo-Ozeanographie.
Die Rekonstruktion vergangener Umweltbedingungen greift auf eine Vielfalt von chemischen, physikalischen, sedimentologischen und biologischen Proxies zurück, mit denen Umweltparameter nicht nur qualitativ beschreibend, sondern vor allem quantitativ erfasst werden können – eine wichtige Voraussetzung für die erfolgreiche Modellierung vergangener Klimazustände. So können z.B. Paläo-Wassertemperaturen mit einer Genauigkeit von weniger als 1°C bestimmt werden.
Neben der chemischen und isotopischen Zusammensetzung verschiedener Sedimentbestandteile sind die organischen Überreste und Schalen von Mikrofossilien die wichtigsten paläozeanographischen Informationsträger, die in den ozeanischen Sedimenten abgelagert wurden und über geologische Zeiträume erhalten blieben. Die genaue Kenntnis ihrer Ökologie, des Erhaltungspotentials der biogenen Überreste und der Prozesse der Signalbildung entscheidet über die Verlässlichkeit und Anwendbarkeit eines Proxies. Dabei zeigt sich, dass die Anwendung einer einzelnen Proxy-Variablen oftmals nicht genügt, um die zeitlichen Variationen einer Klimakomponente hinreichend genau quantifizieren zu können. Nur durch eine konzertierte Anwendung verschiedenster, auf unterschiedliche Prozesse zurückgehender Proxies – dem "Multi-Proxy"-Ansatz – ist eine Optimierung der Paläorekonstruktionen möglich.
2. Paläo-Wassermassenmischung und Zirkulation
