核冬天是一个科学家们预测的概念，它描述了在核战争爆发后，大量烟尘弥漫在空气中，遮天蔽日，导致地表温度骤降的极端天气现象。
1. 当核武器爆炸时，巨大的能量将大量烟尘注入大气，其中一些甚至达到12公里以上的平流层。由于这些烟尘微粒的直径小于1微米，它们能在高层大气中停留数天甚至一年以上。
2. 这些微粒的直径小于红外波长（约10微米），因此它们能吸收来自太阳的可见光辐射，而对地面向外的红外光辐射吸收较少，导致高层大气升温，而地表温度下降，产生了与温室效应相反的效果，使得地表呈现出类似严寒冬天的景象，这就是所谓的核冬天。
3. 核爆炸发生后，火球触及地面时，会将地面的岩石、土块等物质汽化，并被随之形成的蘑菇云带上天空。在火球和烟雾上升过程中，周围的空气会被抽吸到爆炸中心，进一步将尘埃卷入烟云中。
4. 随着风力的作用，烟云中的较大尘埃逐渐沉降到地面，以放射性物质的形式对人和物体造成伤害。而那些微细的尘埃则会长时间漂浮在空气中。同时，光辐射还会引发城市和森林的大火，大火产生的浓烟在上升过程中与漂浮的尘埃相遇，一起随着西风带环绕地球旋转，并向南方扩散，最终形成一个全球性的遮挡层。
5. 如果一场核战争中使用50亿吨以上当量的核武器，不仅会导致数十亿人直接受害，还会引起全球气候变化，地面温度平均下降至10℃以下，并持续数周。这可能导致地球上的许多生命，包括人类，在核大战中消失。
6. 大规模核爆炸会掀起微尘和浓烟，长时间遮挡阳光，造成全球性气候变化，使地球处于黑暗和严寒之中，动植物濒临灭绝，人类生存面临严重威胁。
科学研究方面，有理论认为，6500万年前，恐龙因一颗直径数十公里的小天体撞击地球而灭绝，当时撞击产生的尘埃遮蔽了天空，导致气温下降，植物无法进行光合作用，从而使恐龙这类物种走向衰亡。
在TTAPS的研究成果发布后，一些科学家表示质疑，其中包括美国的氢弹之父爱德华·泰勒。泰勒与萨根就此问题进行过辩论，他认为核冬天的影响微不足道，并提出应将“核冬天”更名为“核秋天”（nuclear autumn）。
此后，科学家们使用改进的模型进行了更精确的计算。1990年，TTAPS小组在《科学》杂志上发表了一篇论文，回顾了自1983年以来的研究。他们认为，新的计算显示北半球中纬度地区的降温大约在摄氏10到20度之间，部分地区可下降摄氏35度；尽管这表明全面核战争的后果可能比1983年他们预测的更轻，但核冬天在总体上仍然是可能的。
自1990年TTAPS小组在《科学》杂志上发表论文以来，没有更详细的研究进一步探讨核冬天的可能性。同年，萨根和TTAPS的另一位成员特科共同出版了一本关于核冬天的著作，名为《无人想象的的道路：核冬天与军备竞赛的终结》。
环境影响方面，每个核爆炸地点上空都会升起一股巨大的尘土和烟灰构成的柱状云团。这股云团上升至大气层5至10英里甚至更高的地方，然后沿水平方向扩散，类似于暴风雨来临前的“铁钻”状积雨云，接着又合并在一起。核打击次日的清晨将没有黎明，中午时分天空仍是一片漆黑，这种黑暗将持续数周。
在此期间，气温将日复一日地下降。在大陆内部，气温可能下降40℃（72°F），足以将夏日变为冬日，将冬日变为北极的冰天雪地。在沿海地区，例如英国大部分地区，气温下降可能较少，大约为15℃（27°F），这是由于海洋温室效应的缘故。但即便如此，沿海地区的气温变化也足以将夏季变为冬季。要知道在正常情况下，英国四季的气温差本来就不像大陆性气候那样明显，这当然也是由于海洋温室效应的作用。
这种黑暗和致命的霜冻，再加上来自放射性尘埃的高剂量辐射，将严重破坏地球上该地区的植物。严寒、高剂量辐射、广泛破坏的工业、医疗和运输设施，以及食品和农作物的短缺，将导致因饥荒、辐射和疾病引起的大规模人类死亡。
科学家们还认为，爆炸产生的氮氧化物将破坏臭氧层。科学家已经在热核爆炸实验中观察到了这种此前未曾预料的效应。由于臭氧层的再生，这种效应会被削弱。但是一场全面核战争的效应无疑将更加巨大。臭氧层耗尽（以及随之而来的紫外线辐射增加）的次生效应将非常显著，它将对人类多种主要农作物产生影响，并通过杀死浮游生物来破坏海洋食物链。
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