二十五年前，国际科学家团队表明，美国和苏联之间的核战争可能产生“核冬天”。城市和工业区炸弹引发的巨大火灾产生的烟雾将笼罩地球，吸收大量阳光，以至于地球表面会变得寒冷、黑暗和干燥，导致全球植物死亡并消除我们的食物供应。夏季地表温度将达到冬季值。主要由天文学家卡尔·萨根推动的关于这一预测的国际讨论，迫使两个超级大国的领导人正视这样一个可能性，即他们的军备竞赛不仅危及他们自己，而且危及整个人类。大大小小的国家都要求裁军。
核冬天成为结束核军备竞赛的重要因素。2000年，前苏联领导人米哈伊尔·S·戈尔巴乔夫回顾时评论道：“俄罗斯和美国科学家建立的模型表明，核战争将导致核冬天，这将对地球上所有生命造成极具破坏性的影响；认识到这一点对我们这些有荣誉感和道德感的人来说是一个巨大的刺激，促使我们采取行动。”
既然冷战已经结束，为什么还要讨论这个话题？因为随着其他国家继续获得核武器，规模较小的区域性核战争可能会造成类似的全球灾难。新的分析显示，例如，印度和巴基斯坦之间的冲突，其中100枚核弹被投向城市和工业区——仅占世界25,000多枚弹头的0.4%——将产生足够的烟雾来严重破坏全球农业。一场区域性战争甚至可能在远离冲突的国家造成大范围的生命损失。
关于支持科学新闻业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻业 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
区域战争威胁世界
通过部署现代计算机和现代气候模型，我们两人和我们的同事已经表明，不仅1980年代的想法是正确的，而且影响将持续至少10年，比之前认为的要长得多。通过进行评估数十年时间的计算（只有现在使用快速的现代计算机才有可能），并通过在我们的计算中包括海洋和整个大气层（也只有现在才有可能），我们发现即使是区域性战争产生的烟雾也会被太阳加热和抬升，并在高层大气中持续悬浮多年，继续阻挡阳光并冷却地球。
印度和巴基斯坦总共拥有100多件核武器，可能是当今最令人担忧的、有能力进行区域核冲突的敌对国家。但除了美国和俄罗斯（拥有数千件）之外，其他国家也很富有：中国、法国和英国拥有数百件核弹头；以色列拥有80多件，朝鲜拥有约10件，伊朗很可能正在努力制造自己的核武器。2004年，这种情况促使我们中的一位（图恩）以及后来的加州大学洛杉矶分校的里奇·特科，这两位都是1980年代调查的资深人士，开始评估区域核战争对全球环境的影响，并将印度和巴基斯坦之间的交战作为我们的案例研究。
科学与国际安全研究所的大卫·奥尔布赖特和自然资源保护委员会的罗伯特·S·诺里斯的最新估计是，印度拥有50至60件组装好的武器（钚足以制造100件），而巴基斯坦拥有60件武器。两国都在继续增加其武库。印度和巴基斯坦的核武器试验表明，弹头的当量将类似于美国在广岛使用的炸弹的15千吨爆炸当量（相当于15,000吨TNT）。
图恩和特科，以及现在在国家大气研究中心的查尔斯·巴丁，模拟了如果50枚广岛大小的炸弹投向巴基斯坦人口密度最高的目标，以及如果50枚类似的炸弹也投向印度会发生什么。有些人坚持认为，核武器只会以有节制的方式使用。但是，一旦核战争开始，随之而来的混乱、恐惧和通信中断，我们怀疑领导人是否会以任何理性的方式限制攻击。对于巴基斯坦来说，这种可能性尤其真实，巴基斯坦国土面积小，可能会在常规冲突中迅速被击溃。例如，海军研究生院的彼得·R·拉沃伊分析了印度和巴基斯坦之间可能发生冲突的方式，并认为巴基斯坦可能会面临一个决定，即在印度用传统部队淹没其军事基地之前，迅速使用其全部核武库。
显然，我们希望未来任何战争中的核目标数量为零，但政策制定者和选民应该知道什么是可能的。图恩和特科发现，这两个国家可能有超过2000万人死于爆炸、火灾和放射性物质——这是一场可怕的屠杀。但调查人员震惊地发现，考虑到这两个国家的大城市，假设每次火灾燃烧的面积与广岛实际燃烧的面积相同，并假设基于各种研究的每人可燃材料量，将产生大量的烟雾。他们计算出，在巴基斯坦爆炸的50枚炸弹将产生3太克烟雾，而在印度爆炸的50枚炸弹将产生4太克（1太克等于一百万公吨）。
实际森林火灾的卫星观测表明，烟雾可以被抬升穿过对流层（大气层的最底层），有时甚至进入低层平流层（正好位于其上的层，延伸至约30英里）。图恩和特科还对烟雾进入平流层可能产生的气候影响进行了一些“粗略估计”。这种影响的巨大程度让他们意识到，他们需要气候建模者的帮助。
事实证明，我们中的一位（罗伯克）已经在与现在在NASA戈达德太空飞行中心的卢克·奥曼合作，他当时正在罗格斯大学完成关于火山爆发对气候影响的博士学位，以及同样在罗格斯大学的格奥尔吉·L·斯滕奇科夫，他是第一部关于核冬天的俄罗斯著作的作者。他们开发了一种气候模型，可以相当容易地用于核爆炸计算。
罗伯克和他的同事们为了保守起见，在他们模拟的5月15日，将5太克烟雾放入印度和巴基斯坦上空的对流层上部。该模型计算出风将如何将烟雾吹向世界各地，以及烟雾颗粒将如何从大气中沉降下来。烟雾在两周内覆盖了所有大陆。黑色、煤烟状的烟雾吸收阳光，变暖并上升到平流层。那里从不下雨，因此空气永远不会被降水净化；颗粒非常缓慢地通过下落沉降下来，空气阻碍着它们。煤烟颗粒很小，平均直径只有0.1微米（µm），因此漂移下降非常缓慢。它们也在白天上升，因为它们被太阳加热，反复延迟了它们的消除。计算表明，烟雾将比火山爆发产生的阵发性硫酸盐颗粒到达更高的平流层上部。硫酸盐颗粒是透明的，吸收的阳光比煤烟少得多，而且也更大，通常为0.5 µm。火山颗粒在空中停留约两年，但核火灾产生的烟雾将持续十年。
夏季的致命霜冻
对烟雾的气候响应令人惊讶。阳光立即减少，使地球冷却到过去1000年以来的最低温度。全球平均降温约1.25摄氏度（2.3华氏度），持续了数年，即使在10年后，温度仍比正常温度低0.5摄氏度。模型还显示，全球降水量减少了10%。降水量、河流流量和土壤湿度都下降了，因为阻挡阳光会减少蒸发并削弱水文循环。然而，干旱主要集中在低纬度地区，因为全球降温会阻碍热带地区的哈德莱环流模式，而热带地区产生全球大部分降水。在亚洲季风区等关键地区，降雨量下降了多达40%。
降温可能看起来不多，但即使是小幅下降也可能造成严重后果。例如，降温和阳光减少将缩短中纬度地区的生长期。对降温影响的更深入了解来自对大规模火山爆发后遗症的分析。有时，此类爆发会产生一两年的暂时降温。过去500年中最大的一次爆发，即1815年印度尼西亚坦博拉火山爆发，遮蔽了太阳，并在一年内产生了约0.5摄氏度的全球降温；1816年被称为“无夏之年”或“冻死的一千八百”。在新英格兰，尽管夏季平均气温仅降低了几度，但每个月都发生了作物杀伤性霜冻。第一次霜冻过后，农民重新种植作物，但眼睁睁地看着它们被下一次霜冻杀死。粮食价格飞涨，牲畜价格暴跌，因为农民出售了他们无法喂养的动物，并且一场从新英格兰到中西部的移民潮开始了，因为人们追随那里肥沃土地的报道。在欧洲，天气如此寒冷和阴沉，以至于股市崩溃，普遍饥荒发生，18岁的玛丽·雪莱受到启发创作了《弗兰肯斯坦》。
某些作物品种，如冬小麦，可以承受较低的温度，但缺乏阳光会抑制其生长能力。在我们的情景中，日光会穿过高高的烟雾霾，但在地面上，每天似乎都是完全阴天。农艺师和农民无法为这种截然不同的条件开发必要的种子或调整农业实践，除非他们事先知道会发生什么。
除了降温、干燥和黑暗之外，广泛的臭氧消耗也会发生，因为烟雾会加热平流层；产生和破坏臭氧的反应是温度依赖性的。科罗拉多大学博尔德分校的迈克尔·J·米尔斯运行了一个与罗伯克的完全不同的气候模型，但发现烟雾抬升和平流层温度变化的结果相似。他得出结论，尽管地表温度会小幅下降，但平流层会升高50多摄氏度，因为黑色烟雾颗粒会吸收阳光。反过来，这种加热会改变平流层中的风，这将把破坏臭氧的氮氧化物带入其上层。高温和氮氧化物共同作用，会将臭氧减少到我们现在每年春天在南极洲上空臭氧洞下方经历的危险水平。由于臭氧减少，地面上的紫外线辐射将显着增加。
阳光和降水减少、寒潮、生长期缩短和紫外线辐射增加都将减少或消除农业生产。值得注意的是，降温和臭氧损失在南北半球中高纬度地区最为严重，而降水量下降在热带地区最为严重。
每种环境变化造成的具体损害将取决于特定的作物、土壤、农业实践和区域天气模式，没有研究人员完成对此类农业响应的详细分析。然而，即使在正常时期，养活不断增长的人口也依赖于在全球范围内转移食物，以弥补干旱和季节性天气变化造成的区域农业不足。今天地球上储存的粮食总量仅够养活地球人口约两个月[参见莱斯特·R·布朗的“粮食短缺会使文明崩溃吗？”；《大众科学》，五月]。大多数城市和国家都只储备了非常短期的食物供应，近年来食物短缺（以及价格上涨）有所增加。核战争可能几乎同时在各地引发产量下降，全球恐慌可能导致全球农业贸易系统陷入停顿，在许多地方造成严重短缺。全球约有10亿人口目前依靠边际粮食供应为生，他们将直接受到印度和巴基斯坦之间或区域核大国之间核战争造成的饥饿威胁。
需要独立证据
通常，科学家通过做实验来检验模型和理论，但在这种情况下，我们显然无法进行实验。因此，我们寻找可以验证我们模型的类似物。
燃烧的城市。不幸的是，强烈能量释放造成的火风暴已将大量烟雾泵入高层大气。旧金山因1906年地震而燃烧，整个城市在第二次世界大战期间被焚毁，包括德累斯顿、汉堡、东京、广岛和长崎。这些事件证实，来自强烈城市火灾的烟雾会上升到高层大气。
季节性周期。在实际的冬季，气候更冷，因为白天较短，阳光强度较低；简单的季节变化有助于我们量化太阳辐射减少的影响。我们的气候模型很好地再现了季节性周期，证实它们正确地反映了阳光的变化。
爆发。爆炸性火山爆发，如1815年的坦博拉火山爆发、1883年的喀拉喀托火山爆发和1991年的皮纳图博火山爆发，提供了几个教训。在平流层中形成的硫酸盐气溶胶云被风输送到世界各地。每次爆发后，地表温度都会随着颗粒云的厚度成比例下降。皮纳图博火山爆发后，全球平均地表温度下降了约0.25摄氏度。全球降水量、河流流量和土壤湿度均下降。我们的模型重现了这些影响。
森林火灾。来自大型森林火灾的烟雾有时会被注入对流层和低层平流层，并被输送到很远的距离，产生降温。我们的模型在应对这些影响方面也表现良好。
恐龙灭绝。一颗小行星在6500万年前撞击了墨西哥的尤卡坦半岛。由此产生的尘埃云与火灾产生的烟雾混合在一起，遮蔽了太阳，导致恐龙灭绝。同时期印度的大规模火山活动可能加剧了这种影响。这些事件告诉我们，地球大气层中的大量气溶胶可以极大地改变气候，足以杀死健壮的物种。
过去，我们曾使用此类类似物来测试和改进我们的模型。但我们希望更多人能做进一步的工作。独立模型，无论是验证还是反驳我们的模型，都将非常有启发意义。我们尚未进行的农业影响研究将特别受欢迎。
废除：唯一的政策
人们对核冬天有几种不正确的印象。一种是气候影响已被证伪；这根本不是真的。另一种是世界将经历“核秋天”而不是冬天。但我们新的计算表明，即使是区域冲突的气候影响也将是广泛而严重的。1980年代使用的模型和计算机无法模拟烟雾的抬升和持久性，也无法模拟海洋在烟雾最终消散后回暖所需的时间；目前的全面核交换模型预测的是核冬天，而不是核秋天。
另一种误解是，即使问题存在，也已通过核军备竞赛的结束得到解决。事实上，即使是计划在2012年保留下来的美国和俄罗斯核武库也可能很容易产生核冬天。此外，核国家的数量不断增加，增加了战争有意或无意开始的可能性。例如，朝鲜已威胁说，如果世界阻止其船只并检查其是否运输核材料，将发动战争。幸运的是，朝鲜目前还没有可用的核武库，但它可能在不久的将来拥有能够全球到达的核武库。印度的一些极端主义领导人在最近印度遭受恐怖袭击后，主张用核武器攻击巴基斯坦。由于印度可以用常规部队迅速击溃巴基斯坦，如果巴基斯坦认为印度即将发起进攻，那么巴基斯坦可能会用核武器攻击印度。伊朗已威胁要摧毁以色列，以色列已经是一个核国家，而以色列反过来发誓永远不允许伊朗成为核国家。这些例子中的每一个都代表着一些国家，它们认为自己的存在受到了彻底的威胁，而且几乎没有预警。这些冲突点有可能突然爆发。
第一次核战争如此震惊世界，以至于尽管此后这些武器被大规模制造，但它们从未再次被使用过。但消除气候灾难可能性的唯一方法是消除武器。迅速削减美国和俄罗斯的武库将为世界其他国家树立榜样，表明核武器不能使用，也不需要。
根据《战略进攻武器削减条约》，美国和俄罗斯都承诺到2012年底将部署的战略核弹头削减到1,700至2,200枚之间。2009年7月，巴拉克·奥巴马总统和俄罗斯总统德米特里·梅德韦杰夫同意进一步将这一范围降至2016年的1,500至1,675枚。虽然较小的战略武库值得称赞，但我们的新结果表明，即使是较低的数量也远远超过了摧毁全球农业所需的数量，区域性核战争也是如此。如果这些武器库被用于攻击城市目标，数亿人将被杀死，惊人的180太克烟雾将被送入全球平流层。即使在夏季，主要农业地区的平均气温也将持续数年低于冰点。即使是一艘携带导弹的潜艇上的弹头也可能产生足够的烟雾，造成全球环境灾难。
核扩散、政治不稳定和城市人口结构的结合可能构成人类文明曙光以来对社会稳定最严重的危险之一。只有废除核武器才能防止潜在的噩梦。立即将美国和俄罗斯的武库削减到与其他核大国（几百件）相同的水平，将维持其威慑力，降低核冬天发生的可能性，并鼓励世界其他国家继续为实现消除核武器的目标而努力。
奥巴马总统理解这一逻辑。在他2009年2月9日作为总统举行的首次新闻发布会上，他说：“美国与俄罗斯合作，以有效的方式重启关于我们如何开始削减核武库的对话，以便我们有资格与其他国家进行对话，并开始重新缝合不扩散条约，这一点很重要。”然后，在9月24日，总统领导联合国安理会批准了一项决议草案，该草案将加大力度消除世界上的核武器。我们的建模结果只会加强支持在此类政策上取得进一步进展的理由。
注：本文最初印刷时的标题为“局部核战争，全球遭殃”