留存在深層海水中的二氧化碳可能會影響全球氣候的變化。洞察海洋在過去氣候變遷扮演的角色，有助于我們預測未來氣候的變化以及對其帶來的沖擊做萬全的準備。

美國科學家在《自然》期刊上提出報告顯示，他們天發現了古氣候的證據：當全球氣溫下降，可能造成高緯度的海水分層(stratification)現象、并且將二氧化碳留存在深層海水中、使得大氣中的二氧化碳含量減少，增強全球冷卻效應。

在大約3000萬年前(第三紀中期)，冰期再次出現。過去的研究指出，造成這次地表降溫的因素，除了地球的軌道變化、減少地表接收的太陽輻射量之外，大氣中二氧化碳濃度下降可能帶來加成的效果，一般認為高緯度的海洋在此時扮演著舉足輕重的角色。

海洋中的浮游植物吸收溶解在水中的二氧化碳進行光合作用，借著生物呼吸作用以及當生物死亡分解后，二氧化碳會被重新釋放到水層中，只有少部分的生物糞粒或殘骸會沉入深海，使得二氧化碳轉化為其他形式的碳留存在深海中，增加海洋的總碳量。因此，海洋生物如同泵一樣，將碳從表層海水傳送到深海，再借著海水的垂直混合作用，將二氧化碳(也包含一些營養鹽)往上傳送并重返大氣。

科學家認為海水的密度分層會阻斷二氧化碳往上傳送的過程;海水的分層現象主要受溫度與鹽度控制，低緯度的海洋因表層溫暖的海水而產生分層作用，使密度隨深度增加，造成海水垂直對流不明顯。至于高緯度的海洋由于表層溫度低、海水對流混合，使得現今高緯度海洋成為向上輸送二氧化碳的主要管道。

普林斯頓大學的Daniel M. sigman與同事，找到了支持在270萬年前高緯度海水分層的證據。他們分析取自北太平洋副極區(Subarctic North Pacific Ocean)與南極海的ODP(Ocean Drilling Program)鉆井巖心，比較兩處蛋白石質的微體生物化石累積量(biogenico-pal accumulation)及沉積物的氮同位素含量變化(代表營養鹽的多寡)。結合兩項觀測，科學家認為生物化石累積量的減少，來自營養鹽的供應量下降，而營養鹽則受制于海水的分層。科學家認為造成冰河時期高緯度海水分層的原因，主要受到鹽度的控制：當溫度逼近冰點時，海水密度受到鹽度變化的影響會大于溫度變化。因此，在冰河時期容易因降水、蒸發多寡及海冰的消長，導致鹽度改變而造成海水分層，結果將使水層中二氧化碳無法重回大氣，造成大氣中的二氧化碳濃度下降。

Woods Hole海洋研究所的Roger Francois表示，這個研究其實過度簡化了造成全球冷卻的因素。然而它的確提供了一個簡單的機制，并貼切地說明過去的一段氣候變遷。哲學家齊克果說：“表象如浮標，本質如魚鉤”，我們期待科學家在復雜的古氣候研究中，洞察海洋在過去氣候變遷扮演的角色，這將有助于預測未來氣候的變化，好讓我們為氣候變化可能帶來的沖擊做萬全的準備。