新近的科学研究表明，核战争遗留下的后果可能比核爆炸本身更加危险。这些研究考虑了因核爆炸而腾升的大量尘埃和核燃烧所产生的浓重烟雾对全球气候的可能影响。粗略计算发现，将有数亿公吨的烟雾释放到大气中。阳光将被这些烟雾所吸收和阻挡，在北半球的广阔地区造成“黄昏式的中午”。
特科（B. Turco）等第一次定量估算了从受核攻击的城市和森林放出的尘埃和烟雾，明确计算了与此相关的大气温度变化、放射性尘埃数量和上层大气的化学扰动。从全球气候和环境变化的严重性来说，这些发现是如此惊人，以致核战争的后果可形象地描述为核冬天。下面总结现在人们对核冬天的了解，它的物理后果及其对人类生存的含意。
气候
地球的气候和天气是由太阳能和海洋的热惯性决定的。只要地球的平均温度变化几度，气候就会发生明显的变化。一次巨大的火山爆发，例如坦博拉火山（位于印度尼西亚，于1815年爆发），能够引起全球平均温度下降1℃，导致夏季霜冻、大量作物失收，出现“无夏之年”。与之相反，现在大气中二氧化碳的聚集可能导致一个全球“温室”，把全球加热2°C，引起两极冰域的广泛融化，冲淹海岸城市。一次核冬天可能触发持续数日的10 ~ 30°C的温度骤降。
陨石冬天 有一种在程度上可与核冬天相比的自然灾害。1980年阿尔瓦雷斯（L. Alvarez）和科魏克斯（Coworkers）提出，6500万年前一直径10公里的陨石与地面猛烈碰撞。据认为，这一古老陨石激起如此浓烈的尘烟，使地球在数月里完全沉没于寒冷的黑暗之中，形成一个“陨石冬天。”这时，75%的生物包括所有的恐龙灭绝了。从这次陨石事件可以得出重要的两点：第一，有效地阻挡射向雄面的阳光能够使地球气候发生突然的、影响深远的扰动；第二，这种气候变化对范围广泛的各种大小的生命形式是一种灾难。
云与地表温度 当阳光被尘烟云雾所阻挡时，地面的温度能迅速下降。沙漠上温度一晚下降20℃是非常平常的事。
云雾与阴暗并非总会导致地表的强烈冷却。它取决于云的可见性质和红外特性。如果云层不透红外线，那么，热量在一段时间内就被囚禁在云下面，这避免了地表的迅速冷却。
穿射云层的光的总量表现为直射分量和散射分量。在由不吸收光线的物质组成的不透光云雾中，散射分量能超过直射分量。而在由吸光物质组成的云中，散射分量较小。对可见光波，纯水汽云不吸收，尘埃云弱吸收，烟云（特别是煤烟云）则吸收很强烈。在红外谱区域，所有这些物质都强烈地吸收和发送红外辐射。
对一团确定的颗粒物，其光学厚度也依赖于颗粒的大小。在可见波段上，约0.1 μm的颗粒具有最大的反射和吸收系数；而在红外波段上、则在几个微米时为最大。自然的水汽云由大小约10 μm的液滴组成。因而这种云对红外光的吸收和发射都很强烈。烟的颗粒的大小一般在0.1到1.0 μm之间，所以，它对可见光吸收强烈而对红外光吸收微弱。尘土颗粒大小的分布范围较宽，可以小于0.1 μm，也可能比10 μm大得多。这样，它既可以有效地散射可见光，又可以有效地吸收红外光。然而，只有前一特性能为漂浮在空气中的尘土保持很长时间，因为对红外线活泼的较大的尘土颗粒在重力的作用下会很快地落下而脱离大气层。
温室效应 当行星上的大气对红外光的吸收比对可见光的吸收强得多时，就会产生温室效应。地球主要由于最下层的一或二英里的大气中少量的水蒸气（质量约占1%）而表现出微弱的温室效应。如果地球上薄薄的水蒸气壳层突然消失，那么，地表的温度将很快下降到-20℃。相反，金星所提供的是一个极强的温室效应的例子。金星大气含有100，000倍于地球的CO2，构成一厚厚的强绝热层，导致450°C的极热的表面温度。
当高空有浓密烟层、太阳能在温室层上面被吸收时，正常的温室效应受到破坏。吸收在烟云中的太阳能很多被直接从云的顶部重新辐射到空中。地表只能接收从高处的云雾和温室层遗漏下来的红外能量以及其它残余的太阳辐射。结果，天阴下来以前已有的初始热量向空中逃逸，产生“反温室效应”，使地面冷却。因此，核冬天意味着地面阳光的减少、温度效应的破坏和随之而来的大地降温。
烟雾和尘埃
烟的性质 核战争中城市和森林的大火将向大气中释放300垓克的烟[在讨论核战争发出的烟雾和尘埃时，采用垓克（tg）作质量单位，1 tg等于1，000，000吨]。有两种烟是可分辨的，一种是城市火焰产生的黑色煤烟，一种是森林火焰产生的浅色油烟。虽然两种烟所包含的粒子的典型尺度都为 ~ 0.1 μm，然而，煤烟吸收光的能力比油烟强得多。重要的是，0.1 μm①大小的颗粒吸收红外辐射的能力相对较弱，并且其大气漂浮时间很长。较小的颗粒能很快扩散并吸附在各种表面上；而较大的颗粒（在重力的作用下）会落出大气圈或与下落的水滴相碰。典型烟雾颗粒则既不扩散也不很快下落，趋向于围绕着物体漂流而不与它们撞击。因此，核战争将以空前的速率产生的烟雾是一种理想的蔽光材料。
尘埃的性质 发生在地面的核爆炸产生大量的硅酸盐（土壤）尘埃。地面上MT级的爆炸把数百万吨的泥土抛向空中，产生直径300 m的弹坑、多达200，000吨的泥土和岩石被液化和汽化，形成极小的透明球状体。爆炸的冲击波和之后的大风产生的地面尘埃会被升腾的火球吸起，加入总尘埃之中。大部分尘埃颗粒具有危险的放射性。按照在核爆炸实验云雾中的测量，地面上一次1 MT级的爆炸能把600，000吨尘埃抛向空中，其中近10%是亚微米颗粒。以这样的抛射率，一次全面核冲突将向上层大气抛射60垓克或更多的亚微米尘埃颗粒。只要这些尘埃一散遍整个北半球上空，就将产大约为1的光学厚度。尽管这样一种云层下部阳光的减少并不太多，然而，像下面要解释的一样，其气候后果将是非常显著的。
对同一光学厚度，漫天烟雾所产生的光度影响比尘埃所产生的要显著得多。而且，对给定质量的物质，烟雾产生的光学厚度远远大于尘埃。
碎屑抛射高度 云雾和尘埃对气候的最终影响依赖于它们在大气中的抛射高度。一般地说。悬浮颗粒离地面越高，它在空中停留的时间就越长。原因有二：第一，高度越大，颗粒随云和降水的移动——大气的自然清洗作用——越弱；第二，在约12 km（对流层顶）以上，大气的垂直对流很小，因此，清洗作用就更弱了。核爆炸释放的能量及其火焰引起强烈的对流，它使低处的空气上升到高空。对于核火球的情形，五、六十年代的一系列实验表明，一般来说，百万吨级的爆炸产生的云在平流层内完全稳定，而50千吨级爆炸产生的云则在对流层内完全稳定。在实战中，由于大量迅速的连续爆炸，火球的动力学状态可能有明显的变化，云上升的高度比期望的可能要大。还没有获得确定多核爆炸效应的实验资料，但是，数学模拟已经表明了云雾和尘埃抛射高度的增大。
典型地，大火产生的烟雾在狭窄的对流柱中上升，并作为云团停留在大火上面，然后，随盛行风扩散，形成伸展的云层或羽毛状的卷云。大部分烟雾在远离地面的空中。一般地说，火势越猛，烟云的高度越大。在核战争中，虽然大多数烟雾预计会限于对流层，然而，空前的大火可能足以把烟雾挤入平流层。在猛烈的城市和森林大火期间，水蒸气在烟柱中凝聚，有时形成积雨云带。火引起的降雨能够消除一些烟雾。广岛和长崎遭核轰击后，在潮湿的夏季海洋气候条件下，油腻的“黑”雨从烟云中瓢泼而下。尽管如此，火焰观察和羽状云模拟所获得的全部证据表明，马上冲洗烟雾的作用可能在某种程度上失效。在团团城市大火中烟雾的排除率可能小于10%。
烟雾和尘埃的抛射 新近对全面核交火抛射的全部颗粒的估计列于表1（给出了几种核战方案的情况）。
a. 只计算对流层的尘埃，抛射到平流层中的单位质量尘埃的影响要小得多。
b. 初始垂直（天顶）消光光学厚度，τe，是在假定物质均匀地分布在整个北半球上空的情况下给定的。光度衰减是由散射和吸收两部分组成的。一般说来，光线在云中穿透不仅仅与有关，而必须用放射转移理论来计算。
C. 假设没有野外大火或城市大火发生。这种假设可能是不现实的。
d. 一般野外火灾的面积变化于500，000 km2至50，000km2之间。
e. 中心城市易燃物质的密度可达20 g/cm2（正常情况为10 g/cm2），每烧1克物质可放出0.026克的纯烟雾（而正常城市中心的火只能放出0.011 g/g）。
f. 假定每百万吨当量所放出的细尘埃增加6倍。如果核数据基础不确定的话，这是可能的。
g. 假定现有导弹和新部署的中程和远程导弹全部改装成分导式多弹头导弹。
它表明，即使是有限地使用核武器，也会引起重大的光度变化。图1表示表2列出的几种情况的总烟雾和尘埃的光学厚度随时间的变化。初期（大约一天）的光学厚度没有包括大部分森林大火产生的烟雾的影响（这些烟雾被认为是在一周中持续地发射出来的）。只要北半球的平均光学厚度大于1，预计就会有重大的光度和气候变化。核扰动可以持续几个月。但是，如果碎屑排除率能够像下面说明的那样发生根本变化的话，或长或短的持续时间都是可能的。图1表示的光学厚度的变化直接导致表征核冬天的气候变化。
核战后的环境
已经建立了用于预测核战后环境的数学模型，然而却没有一个模型能完全处理好这个问题物理上的复杂的各个方面。但是，这些模型却足能得出关于核冬天的一阶描述，表明核冬天的主要特征的预测总结如下。
光衰减 图2表示由于核战争产生的碎屑云造成的地球表面太阳光线可能的减少。实质在核战后光度级的显著下降可以持续好几个星期。在早期浓密的烟云下，天可能如此之暗，以致视觉受到严重限制。太阳光的减少对生态系统的影响随物种而异。由于竞争，植物群落一般存在于补偿点附近，在这一点上，光合作用储存的能量正好与代谢作用消耗的能量相抵消。由微小的浮游植物生产的原始食物是海洋食物链的基础，因此，海洋生物系统，从小生物体到大生物体，就要崩溃。许多粮食作物只适应当地的气候条件，例如一定的光照强度、昼长、生长期（无霜期）和月均温、月均降水量。因此，如图2所示那样严重的光衰减可以毁坏各种生态系统和生物个体。
实际上，与温度波动、降水变化和放射性坠尘比较起来，光衰减只是核战后环境压力中较小的一个。
温度波动 几种核战方案下，广大陆地上表层气温的变化如图3所示。对流层上的烟雾产生大幅度短期的降温，而平流层的烟雾产生小幅度长期的降温。预测的降温幅度很可能是能出现的最大值，于是只限大陆内部。海洋上平均降温幅度可能略低3℃左右。
这些预测没有考虑早期云层中的紊乱和后期寒冷的大陆气流与温暖的海洋气流的混合。这些效应导致平均陆地温度降低的幅度为如图3所示的大陆内部气温降低幅度的一半。温度下降的最大幅度，即从约40°C降到-25°C是可能的。在图3所示的5个例子中，陆地气温的急剧降低可以持续几个月。春天和初夏，平均温度降低几摄氏度就可以完全毁掉号称世界“面包库”的整个北部中纬度地带的所有作物。可能的，甚至在夏天也会发生的深度冰冻，加重了核冬天的潜在危险——导致一个黑暗而又寒冷的时期，天上黑云翻滚，空气中充满着烟尘和放射性物质，狂风怒吼，毒雪遍地。
扩散核云的加温和地面降温使低层大气产生强烈的温度倒置。这种倒置如图4所示，图中对受扰的垂直温度变化曲线与正常温度变化曲线作了对比。对流层中一般高度每升高1公里，平均气温即下降6.5°C，以维持大气的正常稳定性。图4表明，大规模的核交后一个月，大量的对流层空气可能在地面以上保持热稳定、也就是说，大气温度不是随高度每上升1公里约下降6.5°C，而是降得慢得多，甚至反而增加。即使在火三个月以后，地面也只接受足以推动最底层大气微弱对流的能量。烟雾云的这样一种温度倒置，可以阻止垂直气流交换和抑制深部对流云的活动性，因而可能增加核烟尘在大气中的滞留时间。
对正常的和被扰动的平均大气经向环流的预测。—般的经向环流是大规模行星气浪振动的遗留运动。全球环流模式（GCMs）预测了行星气浪运动的异常，这里，初步的结果也是惊人的（图5）。一团一团加热了的大陆规模的北半球气流在几天之内就可能伸入南半球内部（直到南纬40度）。实际上，地球上所有可居住的陆地都在南纬40度以北，因此可能被核烟尘迅速笼罩。由于迅速笼罩和迅速冻结，全球没一个地方，无论北半球还是南半球，能免受核冬天的袭击。
天气效应 天气是一固定地点的温度、风、云和降水状况每日的变化。气候是大范围区域内长时期的平均天气。预测气候比预测天气要容易得多。一个重大的气候扰动如核冬天会产生前所未有的天气波动，即使是一个温度只下降摄氏几度的和缓的核冬天，也会产生很强烈的全球范围，的天气异常（如前面提到的快速冻结）。然而，现行的研究还不能准确预测这些异常会在何时何地发生，以及这些异常的确切程度。现行的全球环流模型只能揭示出典型的天气模式。
从天气常说可以得出，在核冬天中，在来自海洋的热量和湿度的推动下，以及大陆和海洋之间强烈的水平温差对比的推动下，低层大气的风暴和湍流会增加。当盛行风把大量的海洋气流吹向寒冷的大陆时，会形成大面积的层云和持续的降水（雨、雨夹雪和雪）。现在尚不知道这种天气活动可以达到离海岸多远的内陆，但是在100公里的范围内很可能出现这种天气活动的大部分。当陆地表面迅速冷却时，雾会大面积覆盖地面，防止地面热量散发，保持地表温度。大气中几百万吨核碎屑物质的存在，也可以改变云层微粒的微观物理特性，因而改变碎屑的移动速度。核爆炸喷出的水和火也影响大气的化学和放射过程。而且，在大气与海洋之间的物理和化学相互作用也可能发生，这种相互作用对短期（1 ~ 3年）气候变化产生很重要的作用。所有这些二阶的影响需要进一步的研究。
小结
核冬天是一种与大量运用核武器相联系的新现象。在预测其严重性时存在一些困难。与核冬天相联系的主要的不确定性因素的来源和规模简要地列于表2。
普遍的核冲突后会使地球上大面积区域面临长时期的浓云、坚冰、重霜、毒雪和狂风；遭受到由于爆炸和火灾释放出来的有毒气体造成的大气污染、危险的放射性污染——除居住地、食物和水被危险的放射性核素污染外的广大范围的污染，产生成千上万的癌症和不育症患者，以及增加致命的太阳紫外辐射的剂量。随着交通系统，电力网、食物加工、医疗、卫生、公共设施和中央政府的崩溃，世界经济的相互依存关系将产生严重的困难，即使是在没有直接参与战争的国家也是如此。流行病将席卷全球。许多热带、亚热带和温带物种将消失，无数生命个体将在核灾难中消亡。尽管这种生物学后果的预测大部分是定性的，科学家们正在努力把对核战争的生物学后果的认识建立在更扎实的科学基础上。
[《Me Gram-Hill Yearbook of science & Technology. 1986》]
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* 理查德 · 特科是加利福尼亚玛丽娜德蕾研究与发展学会的大气物理和大气化学研究学者及课题负责人。他与他的同事阐述了核战争产生的烟雾和尘埃对环境的严重影响。
① 此处原文为mm，根据上下文，疑为μm之误。