Οι πυρήνες πάγου είναι κυλινδρικά δείγματα πάγου που αφαιρούνται από φύλλα πάγου και παγετώνες. Επειδή οι πυρήνες πάγου λαμβάνονται από περιοχές που παραμένουν παγωμένες όλο το χρόνο, περιέχουν λεπτομερείς πληροφορίες για την ιστορία του κλίματος της Γης, για όσους ξέρουν πώς να φαίνονται. Οι παλαιοκλιματολόγοι συχνά μελετούν εκτεταμένα τους πυρήνες πάγου για να συλλέξουν δεδομένα σχετικά με σημαντικά κλιματικά γεγονότα και να συνδυάσουν μοτίβα στη μετεωρολογική ιστορία της Γης. Οι πυρήνες πάγου μπορούν να βρεθούν σε αποθήκες σε πολλές ερευνητικές εγκαταστάσεις και αρχεία.
Για να πάρουν ένα βασικό δείγμα από πάγο, οι ερευνητές πρέπει να βρουν μια περιοχή με σημαντικές αποθέσεις πάγου, ιδανικά μια περιοχή όπου ο πάγος υπήρχε για χιλιάδες χρόνια. Οι πολικοί πάγοι είναι μια εξαιρετική τοποθεσία για τη λήψη πυρήνων πάγου, όπως και ορισμένοι μόνιμοι παγετώνες. Οι ερευνητές τρυπάνε στον πάγο με εξειδικευμένο εξοπλισμό, χρησιμοποιώντας ένα υγρό για να διατηρήσουν την πίεση έτσι ώστε η τρύπα να μην καταρρεύσει, και αφαιρούν δείγματα πάγου από την τρύπα και τα αποθηκεύουν για περαιτέρω μελέτη.
Αυτά τα δείγματα πρέπει να χειρίζονται με προσοχή, για να διασφαλιστεί ότι δεν έχουν μολυνθεί από το σύγχρονο κλίμα. Επειδή οι πυρήνες πάγου συχνά αντιμετωπίζουν ριζικές αλλαγές πίεσης όταν τραβιούνται στην επιφάνεια, οι ερευνητές πρέπει πρώτα να τους επιτρέψουν να «χαλαρώσουν» σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, ώστε να μην θρυμματιστούν. Ανά πάσα στιγμή, οι πυρήνες πάγου πρέπει να διατηρούνται σχολαστικά καθαροί και όταν οι πυρήνες είναι τελικά έτοιμοι για μελέτη, μεταφέρονται σε καθαρό δωμάτιο για να μειωθεί ο κίνδυνος μόλυνσης.
Σε μια διατομή, ένας πυρήνας πάγου έχει μια σειρά στρωμάτων που αντιπροσωπεύουν δεκαετίες χιονόπτωσης. Κάθε στρώμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη συλλογή πληροφοριών σχετικά με το κλίμα εκείνης της χρονιάς. Ο πάγος μπορεί να παγιδεύσει σωματιδιακά υλικά όπως ρύπους και τέφρα, μαζί με ραδιενεργά ισότοπα και διάφορα επίπεδα διαλυμένων χημικών. Χρησιμοποιώντας πυρήνες πάγου, οι ερευνητές μπορούν να δουν πώς ήταν ιστορικά τα επίπεδα οξυγόνου και διοξειδίου του άνθρακα. Μπορούν επίσης να βρουν ενδείξεις όπως γύρη και σκόνη σε πυρήνες πάγου που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την εκτίμηση της επικρατούσας κατεύθυνσης του ανέμου σε κάθε δεδομένο έτος και για να μάθουν περισσότερα για το τι συνέβαινε σε άλλα μέρη της Γης.
Κατά την εξέταση των πυρήνων πάγου, ένα από τα βασικά ζητήματα είναι η ακριβής χρονολόγηση. Χωρίς μια σταθερή ημερομηνία συνεργασίας, τα δεδομένα δεν είναι τρομερά χρήσιμα. Η γνωριμία μπορεί να πραγματοποιηθεί μετρώντας φυσικά τα πίσω στρώματα, όπως συμβαίνει με τους δακτυλίους των δέντρων. Μπορεί επίσης να γίνει με ανάλυση επιπέδων ισοτόπων στον πάγο και σύγκριση των επιπέδων με γνωστά δείγματα πάγου, ή με αναζήτηση βασικών στρωμάτων στον πάγο που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για παρέκταση. Για παράδειγμα, όταν το Krakatoa ξέσπασε το 1883, μοίρασε ηφαιστειακή τέφρα σε όλο τον κόσμο, αφήνοντας ένα αποκαλυπτικό ίχνος σε πυρήνες πάγου αυτής της εποχής.