留存在深层海水中的二氧化碳可能会影响全球气候的变化。洞察海洋在过去气候变迁中扮演的角色，有助于我们预测未来气候的变化以及对其带来的冲击做万全的准备。
美国科学家在《自然》期刊上提出报告显示，他们发现了古气候的证据：当全球气温下降，可能造成高纬度的海水分层（stratification）现象，并且将二氧化碳留存在深层海水中，使得大气中的二氧化碳含量减少，增强全球冷却效应。
在大约3000万年前（第三纪中期），冰期再次出现。过去的研究指出，造成这次地表降温的因素，除了地球的轨道变化减少地表接收的太阳辐射量之外，大气中二氧化碳浓度下降可能带来加成的效果，一般认为高纬度的海洋在此时扮演着举足轻重的角色。
海洋中的浮游植物吸收溶解在水中的二氧化碳进行光合作用，借着生物呼吸作用以及当生物死亡分解后，二氧化碳会被重新释放到水层中，只有少部分的生物粪粒或残骸会沉入深海，使得二氧化碳转化为其他形式的碳留存在深海中，增加海洋的总碳量。因此，海洋生物如同泵一样，将碳从表层海水传送到深海，再借着海水的垂直混合作用，将二氧化碳（也包含一些营养盐）往上传送并重返大气。
科学家认为海水的密度分层会阻断二氧化碳往上传送的过程；海水的分层现象主要受温度与盐度控制，低纬度的海洋因表层温暖的海水而产生分层作用，使密度随深度增加，造成海水垂直对流不明显。至于高纬度的海洋，由于表层温度低，海水对流混合，使得现今高纬度海洋成为向上输送二氧化碳的主要管道。
普林斯顿大学的Daniel M。sigman与同事，找到了支持在270万年前高纬度海水分层的证据。他们分析取自北太平洋副极区（SubarcticNorth Pacific Ocean）与南极海的ODP（Ocean Drilling Program）钻井岩心，比较两处蛋白石质的微体生物化石累积量（biogenico palaccumulation）
及沉积物的氮同位素含量变化（代表营养盐的多寡）。
结合两项观测，科学家认为生物化石累积量的减少，来自营养盐的供应量下降，而营养盐则受制于海水的分层。科学家认为造成冰河时期高纬度海水分层的原因，主要受到盐度的控制：当温度逼近冰点时，海水密度受到盐度变化的影响会大于温度变化。因此，在冰河时期容易因降水、蒸发多寡及海冰的消长，导致盐度改变而造成海水分层，结果将使水层中二氧化碳无法重回大气，造成大气中的二氧化碳浓度下降。
Woods Hole海洋研究所的Roger Francois表示，这个研究其实过度简化了造成全球冷却的因素。然而它的确提供了一个简单的机制，并贴切地说明了过去的一段气候变迁。哲学家齐克果说：“表象如浮标，本质如鱼钩”，我们期待科学家在复杂的古气候研究中，洞察海洋在过去气候变迁扮演的角色，这将有助于预测未来气候的变化，好让我们为气候变化可能带来的冲击做万全的准备。