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  進入大氣層的煙和煤煙的顆粒層可以顯著減少到達地面的陽光總量,這個顆粒層很可能在大氣中停留數週甚至數年 (燃燒石油和塑料製品產生的煙和炭黑能夠比燃燒木材產生的煙更有效地吸收陽光)。 中緯度的西風帶將會輸送煙塵,形成一個環繞北半球北緯30度到60度地區的環帶。 這些厚的黑雲可以遮擋掉大部分的陽光,時間長達數週。這將導致地表溫度在這一時期下降,根據不同的模型,溫度下降最多可達數十攝氏度。  這種黑暗與致命的霜凍,再加上來自放射性塵埃的高劑量輻射,會嚴重地毀滅地球上這個地區的植物。嚴寒、高劑量輻射、工業、醫療、運輸設施被廣泛破壞,再加上食品和農作物的短缺,將會導致因饑荒、輻射和疾病引起的人類大規模死亡。科學家還認為爆炸產生的氮氧化物將破壞臭氧層。科學家已經在熱核爆炸實驗中觀察到了這種此前未曾預料過的效應。由於臭氧層的再生,這種效應會被削弱了。但是一場全面核戰爭的效應,毫無疑問將會更加巨大。臭氧耗盡(以及隨之而來的紫外線輻射增加)的次生效應將非常顯著,它會對人類多種主要農作物產生影響,也會通過殺死浮游生物而毀壞海洋食物鏈。  有許多科學家試圖預測大規模核戰爭的氣候效應,其中最著名的是1983年「TTAPS」小組(理查德·特科、布賴恩·圖恩、托馬斯·阿克曼、詹姆斯·波拉克和卡爾·薩根五位科學家的姓氏首字母縮寫)的研究成果。TTAPS(常常被讀作T-Taps)小組受到了火星沙塵暴致冷效應的啟發。他們使用了一個地球大氣層的二維簡化模型計算了核冬天效應,結果發現全面核戰爭可能導致內陸地區的溫度降至零下攝氏40度。這項研究成果發表在了1983年底的《科學》雜誌上。  近年來一個關於恐龍滅絕的理論也認為,6500萬年前有一顆直徑數十公里的小天體擊中地球,這場爆炸掀起的塵埃遮蔽住了天空,導致氣溫下降,植物無法進行光合作用,從而讓恐龍這類當時居於支配地位的物種走向衰亡。  在TTAPS的研究成果發表以後,有一些科學家對其表示了質疑,其中包括美國的氫彈之父愛德華·泰勒。泰勒與薩根就此問題進行過辯論,他認為核冬天的效應微不足道。另外一些科學家認為由於大規模核戰爭造成的降溫效應並不像TTAPS小組展示的那樣嚴重,因此「核冬天」應該改名為「核秋天」(nuclear autumn)。  自此之後,科學家使用改進的模型進行了更加精密的計算。1990年,TTAPS小組又在《科學》雜誌上發表了一篇論文,回顧了自1983年以後的研究。他們認為,新的計算表明北半球中緯度地區的降溫大約是攝氏10到20度,區域性地區可下降攝氏35度;儘管這表明全面核戰爭的後果可能比1983年他們預測的更輕,但是核冬天在總體上仍然是可能的。  自從1990年TTAPS小組在《科學》雜誌上發表了這篇論文之後,至今沒有更加詳細的研究進一步探究核冬天的可能性。同年,薩根和TTAPS的另一位成員特科一起出版了一本關於核冬天的著作,名為《無人想像的道路:核冬天與軍備競賽的終結》。  人們在1962年的古巴導彈危機後開始極為重視核武器帶來的後果,並擔心核戰爭一旦爆發整個世界都會被毀滅,於是核武大國美國、蘇聯和當時另外一個擁有核武的國家——英國在古巴導彈危機後便開始積極進行協商制定《核不擴散條約》相關細節的討論,到1968年美國、蘇聯和英國便籤署核不擴散條約,當時與美國和蘇聯兩個超級大國同時都處在敵視對立狀態的毛澤東領導下的中國沒有簽署此條約,直到1992年鄧小平和江澤民才同意簽署此條約。與同在1964年首次核試驗成功的中國一樣,長期堅持在美國和蘇聯的對立中保持獨立自主的戴高樂主義的法國也在1992年才簽署了核不擴散條約。 1990年代核不擴散條約在全世界大多數國家都得到了簽署後,美國、俄羅斯、中國等大國都放慢核武器的發展腳步,並且宣佈暫停本國的所有核試驗,但印度、巴基斯坦、朝鮮等國家卻依然積極發展核武器。朝鮮在2003年退出了核不擴散條約 並且相繼在2006、2009、2013和2016年四次成功進行了核試驗。  1991年蘇聯解體,兩個超級大國對抗的冷戰時期結束,全面核戰爭的可能性大大降低。但是區域性核衝突仍然有可能發生。這些核戰爭所造成的氣候效應仍然需要進行深入地研究。
核冬天假說(Nuclear winter)是一個關於全球氣候變化的理論,它預測了一場大規模核戰爭可能產生的氣候災難。核冬天理論認為使用大量的核武器,特別是對像城市這樣的易燃目標使用核武器,會讓大量的煙和煤煙進入地球的大氣層,這將可能導致非常寒冷的天氣。必須指出的是,核冬天是基於資料化模型的假設。在最新的研究中,科學家更新了比上世紀更精確的計算模型,依然得出結論核冬天會對地球氣候造成毀滅性影響。