二十五年前，國際科學家團隊表明，美國和蘇聯之間的核戰爭可能產生“核冬天”。城市和工業區炸彈引發的巨大火災產生的煙霧將籠罩地球，吸收大量陽光，以至於地球表面會變得寒冷、黑暗和乾燥，導致全球植物死亡並消除我們的食物供應。夏季地表溫度將達到冬季值。主要由天文學家卡爾·薩根推動的關於這一預測的國際討論，迫使兩個超級大國的領導人正視這樣一個可能性，即他們的軍備競賽不僅危及他們自己，而且危及整個人類。大大小小的國家都要求裁軍。
核冬天成為結束核軍備競賽的重要因素。2000年，前蘇聯領導人米哈伊爾·S·戈爾巴喬夫回顧時評論道：“俄羅斯和美國科學家建立的模型表明，核戰爭將導致核冬天，這將對地球上所有生命造成極具破壞性的影響；認識到這一點對我們這些有榮譽感和道德感的人來說是一個巨大的刺激，促使我們採取行動。”
既然冷戰已經結束，為什麼還要討論這個話題？因為隨著其他國家繼續獲得核武器，規模較小的區域性核戰爭可能會造成類似的全球災難。新的分析顯示，例如，印度和巴基斯坦之間的衝突，其中100枚核彈被投向城市和工業區——僅佔世界25,000多枚彈頭的0.4%——將產生足夠的煙霧來嚴重破壞全球農業。一場區域性戰爭甚至可能在遠離衝突的國家造成大範圍的生命損失。
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區域戰爭威脅世界
透過部署現代計算機和現代氣候模型，我們兩人和我們的同事已經表明，不僅1980年代的想法是正確的，而且影響將持續至少10年，比之前認為的要長得多。透過進行評估數十年時間的計算（只有現在使用快速的現代計算機才有可能），並透過在我們的計算中包括海洋和整個大氣層（也只有現在才有可能），我們發現即使是區域性戰爭產生的煙霧也會被太陽加熱和抬升，並在高層大氣中持續懸浮多年，繼續阻擋陽光並冷卻地球。
印度和巴基斯坦總共擁有100多件核武器，可能是當今最令人擔憂的、有能力進行區域核衝突的敵對國家。但除了美國和俄羅斯（擁有數千件）之外，其他國家也很富有：中國、法國和英國擁有數百件核彈頭；以色列擁有80多件，朝鮮擁有約10件，伊朗很可能正在努力製造自己的核武器。2004年，這種情況促使我們中的一位（圖恩）以及後來的加州大學洛杉磯分校的裡奇·特科，這兩位都是1980年代調查的資深人士，開始評估區域核戰爭對全球環境的影響，並將印度和巴基斯坦之間的交戰作為我們的案例研究。
科學與國際安全研究所的大衛·奧爾布賴特和自然資源保護委員會的羅伯特·S·諾里斯的最新估計是，印度擁有50至60件組裝好的武器（鈽足以製造100件），而巴基斯坦擁有60件武器。兩國都在繼續增加其武庫。印度和巴基斯坦的核武器試驗表明，彈頭的當量將類似於美國在廣島使用的炸彈的15千噸爆炸當量（相當於15,000噸TNT）。
圖恩和特科，以及現在在國家大氣研究中心的查爾斯·巴丁，模擬瞭如果50枚廣島大小的炸彈投向巴基斯坦人口密度最高的目標，以及如果50枚類似的炸彈也投向印度會發生什麼。有些人堅持認為，核武器只會以有節制的方式使用。但是，一旦核戰爭開始，隨之而來的混亂、恐懼和通訊中斷，我們懷疑領導人是否會以任何理性的方式限制攻擊。對於巴基斯坦來說，這種可能性尤其真實，巴基斯坦國土面積小，可能會在常規衝突中迅速被擊潰。例如，海軍研究生院的彼得·R·拉沃伊分析了印度和巴基斯坦之間可能發生衝突的方式，並認為巴基斯坦可能會面臨一個決定，即在印度用傳統部隊淹沒其軍事基地之前，迅速使用其全部核武庫。
顯然，我們希望未來任何戰爭中的核目標數量為零，但政策制定者和選民應該知道什麼是可能的。圖恩和特科發現，這兩個國家可能有超過2000萬人死於爆炸、火災和放射性物質——這是一場可怕的屠殺。但調查人員震驚地發現，考慮到這兩個國家的大城市，假設每次火災燃燒的面積與廣島實際燃燒的面積相同，並假設基於各種研究的每人可燃材料量，將產生大量的煙霧。他們計算出，在巴基斯坦爆炸的50枚炸彈將產生3太克煙霧，而在印度爆炸的50枚炸彈將產生4太克（1太克等於一百萬公噸）。
實際森林火災的衛星觀測表明，煙霧可以被抬升穿過對流層（大氣層的最底層），有時甚至進入低層平流層（正好位於其上的層，延伸至約30英里）。圖恩和特科還對煙霧進入平流層可能產生的氣候影響進行了一些“粗略估計”。這種影響的巨大程度讓他們意識到，他們需要氣候建模者的幫助。
事實證明，我們中的一位（羅伯克）已經在與現在在NASA戈達德太空飛行中心的盧克·奧曼合作，他當時正在羅格斯大學完成關於火山爆發對氣候影響的博士學位，以及同樣在羅格斯大學的格奧爾吉·L·斯滕奇科夫，他是第一部關於核冬天的俄羅斯著作的作者。他們開發了一種氣候模型，可以相當容易地用於核爆炸計算。
羅伯克和他的同事們為了保守起見，在他們模擬的5月15日，將5太克煙霧放入印度和巴基斯坦上空的對流層上部。該模型計算出風將如何將煙霧吹向世界各地，以及煙霧顆粒將如何從大氣中沉降下來。煙霧在兩週內覆蓋了所有大陸。黑色、煤煙狀的煙霧吸收陽光，變暖並上升到平流層。那裡從不下雨，因此空氣永遠不會被降水淨化；顆粒非常緩慢地透過下落沉降下來，空氣阻礙著它們。煤煙顆粒很小，平均直徑只有0.1微米（µm），因此漂移下降非常緩慢。它們也在白天上升，因為它們被太陽加熱，反覆延遲了它們的消除。計算表明，煙霧將比火山爆發產生的陣發性硫酸鹽顆粒到達更高的平流層上部。硫酸鹽顆粒是透明的，吸收的陽光比煤煙少得多，而且也更大，通常為0.5 µm。火山顆粒在空中停留約兩年，但核火災產生的煙霧將持續十年。
夏季的致命霜凍
對煙霧的氣候響應令人驚訝。陽光立即減少，使地球冷卻到過去1000年以來的最低溫度。全球平均降溫約1.25攝氏度（2.3華氏度），持續了數年，即使在10年後，溫度仍比正常溫度低0.5攝氏度。模型還顯示，全球降水量減少了10%。降水量、河流流量和土壤溼度都下降了，因為阻擋陽光會減少蒸發並削弱水文迴圈。然而，乾旱主要集中在低緯度地區，因為全球降溫會阻礙熱帶地區的哈德萊環流模式，而熱帶地區產生全球大部分降水。在亞洲季風區等關鍵地區，降雨量下降了多達40%。
降溫可能看起來不多，但即使是小幅下降也可能造成嚴重後果。例如，降溫和陽光減少將縮短中緯度地區的生長期。對降溫影響的更深入瞭解來自對大規模火山爆發後遺症的分析。有時，此類爆發會產生一兩年的暫時降溫。過去500年中最大的一次爆發，即1815年印度尼西亞坦博拉火山爆發，遮蔽了太陽，並在一年內產生了約0.5攝氏度的全球降溫；1816年被稱為“無夏之年”或“凍死的一千八百”。在新英格蘭，儘管夏季平均氣溫僅降低了幾度，但每個月都發生了作物殺傷性霜凍。第一次霜凍過後，農民重新種植作物，但眼睜睜地看著它們被下一次霜凍殺死。糧食價格飛漲，牲畜價格暴跌，因為農民出售了他們無法餵養的動物，並且一場從新英格蘭到中西部的移民潮開始了，因為人們追隨那裡肥沃土地的報道。在歐洲，天氣如此寒冷和陰沉，以至於股市崩潰，普遍饑荒發生，18歲的瑪麗·雪萊受到啟發創作了《弗蘭肯斯坦》。
某些作物品種，如冬小麥，可以承受較低的溫度，但缺乏陽光會抑制其生長能力。在我們的情景中，日光會穿過高高的煙霧霾，但在地面上，每天似乎都是完全陰天。農藝師和農民無法為這種截然不同的條件開發必要的種子或調整農業實踐，除非他們事先知道會發生什麼。
除了降溫、乾燥和黑暗之外，廣泛的臭氧消耗也會發生，因為煙霧會加熱平流層；產生和破壞臭氧的反應是溫度依賴性的。科羅拉多大學博爾德分校的邁克爾·J·米爾斯運行了一個與羅伯克的完全不同的氣候模型，但發現煙霧抬升和平流層溫度變化的結果相似。他得出結論，儘管地表溫度會小幅下降，但平流層會升高50多攝氏度，因為黑色煙霧顆粒會吸收陽光。反過來，這種加熱會改變平流層中的風，這將把破壞臭氧的氮氧化物帶入其上層。高溫和氮氧化物共同作用，會將臭氧減少到我們現在每年春天在南極洲上空臭氧洞下方經歷的危險水平。由於臭氧減少，地面上的紫外線輻射將顯著增加。
陽光和降水減少、寒潮、生長期縮短和紫外線輻射增加都將減少或消除農業生產。值得注意的是，降溫和臭氧損失在南北半球中高緯度地區最為嚴重，而降水量下降在熱帶地區最為嚴重。
每種環境變化造成的具體損害將取決於特定的作物、土壤、農業實踐和區域天氣模式，沒有研究人員完成對此類農業響應的詳細分析。然而，即使在正常時期，養活不斷增長的人口也依賴於在全球範圍內轉移食物，以彌補乾旱和季節性天氣變化造成的區域農業不足。今天地球上儲存的糧食總量僅夠養活地球人口約兩個月[參見萊斯特·R·布朗的“糧食短缺會使文明崩潰嗎？”；《大眾科學》，五月]。大多數城市和國家都只儲備了非常短期的食物供應，近年來食物短缺（以及價格上漲）有所增加。核戰爭可能幾乎同時在各地引發產量下降，全球恐慌可能導致全球農業貿易系統陷入停頓，在許多地方造成嚴重短缺。全球約有10億人口目前依靠邊際糧食供應為生，他們將直接受到印度和巴基斯坦之間或區域核大國之間核戰爭造成的飢餓威脅。
需要獨立證據
通常，科學家透過做實驗來檢驗模型和理論，但在這種情況下，我們顯然無法進行實驗。因此，我們尋找可以驗證我們模型的類似物。
燃燒的城市。不幸的是，強烈能量釋放造成的火風暴已將大量煙霧泵入高層大氣。舊金山因1906年地震而燃燒，整個城市在第二次世界大戰期間被焚燬，包括德累斯頓、漢堡、東京、廣島和長崎。這些事件證實，來自強烈城市火災的煙霧會上升到高層大氣。
季節性週期。在實際的冬季，氣候更冷，因為白天較短，陽光強度較低；簡單的季節變化有助於我們量化太陽輻射減少的影響。我們的氣候模型很好地再現了季節性週期，證實它們正確地反映了陽光的變化。
爆發。爆炸性火山爆發，如1815年的坦博拉火山爆發、1883年的喀拉喀托火山爆發和1991年的皮納圖博火山爆發，提供了幾個教訓。在平流層中形成的硫酸鹽氣溶膠雲被風輸送到世界各地。每次爆發後，地表溫度都會隨著顆粒雲的厚度成比例下降。皮納圖博火山爆發後，全球平均地表溫度下降了約0.25攝氏度。全球降水量、河流流量和土壤溼度均下降。我們的模型重現了這些影響。
森林火災。來自大型森林火災的煙霧有時會被注入對流層和低層平流層，並被輸送到很遠的距離，產生降溫。我們的模型在應對這些影響方面也表現良好。
恐龍滅絕。一顆小行星在6500萬年前撞擊了墨西哥的尤卡坦半島。由此產生的塵埃雲與火災產生的煙霧混合在一起，遮蔽了太陽，導致恐龍滅絕。同時期印度的大規模火山活動可能加劇了這種影響。這些事件告訴我們，地球大氣層中的大量氣溶膠可以極大地改變氣候，足以殺死健壯的物種。
過去，我們曾使用此類類似物來測試和改進我們的模型。但我們希望更多人能做進一步的工作。獨立模型，無論是驗證還是反駁我們的模型，都將非常有啟發意義。我們尚未進行的農業影響研究將特別受歡迎。
廢除：唯一的政策
人們對核冬天有幾種不正確的印象。一種是氣候影響已被證偽；這根本不是真的。另一種是世界將經歷“核秋天”而不是冬天。但我們新的計算表明，即使是區域衝突的氣候影響也將是廣泛而嚴重的。1980年代使用的模型和計算機無法模擬煙霧的抬升和永續性，也無法模擬海洋在煙霧最終消散後回暖所需的時間；目前的全面核交換模型預測的是核冬天，而不是核秋天。
另一種誤解是，即使問題存在，也已透過核軍備競賽的結束得到解決。事實上，即使是計劃在2012年保留下來的美國和俄羅斯核武庫也可能很容易產生核冬天。此外，核國家的數量不斷增加，增加了戰爭有意或無意開始的可能性。例如，朝鮮已威脅說，如果世界阻止其船隻並檢查其是否運輸核材料，將發動戰爭。幸運的是，朝鮮目前還沒有可用的核武庫，但它可能在不久的將來擁有能夠全球到達的核武庫。印度的一些極端主義領導人在最近印度遭受恐怖襲擊後，主張用核武器攻擊巴基斯坦。由於印度可以用常規部隊迅速擊潰巴基斯坦，如果巴基斯坦認為印度即將發起進攻，那麼巴基斯坦可能會用核武器攻擊印度。伊朗已威脅要摧毀以色列，以色列已經是一個核國家，而以色列反過來發誓永遠不允許伊朗成為核國家。這些例子中的每一個都代表著一些國家，它們認為自己的存在受到了徹底的威脅，而且幾乎沒有預警。這些衝突點有可能突然爆發。
第一次核戰爭如此震驚世界，以至於儘管此後這些武器被大規模製造，但它們從未再次被使用過。但消除氣候災難可能性的唯一方法是消除武器。迅速削減美國和俄羅斯的武庫將為世界其他國家樹立榜樣，表明核武器不能使用，也不需要。
根據《戰略進攻武器削減條約》，美國和俄羅斯都承諾到2012年底將部署的戰略核彈頭削減到1,700至2,200枚之間。2009年7月，巴拉克·奧巴馬總統和俄羅斯總統德米特里·梅德韋傑夫同意進一步將這一範圍降至2016年的1,500至1,675枚。雖然較小的戰略武庫值得稱讚，但我們的新結果表明，即使是較低的數量也遠遠超過了摧毀全球農業所需的數量，區域性核戰爭也是如此。如果這些武器庫被用於攻擊城市目標，數億人將被殺死，驚人的180太克煙霧將被送入全球平流層。即使在夏季，主要農業地區的平均氣溫也將持續數年低於冰點。即使是一艘攜帶導彈的潛艇上的彈頭也可能產生足夠的煙霧，造成全球環境災難。
核擴散、政治不穩定和城市人口結構的結合可能構成人類文明曙光以來對社會穩定最嚴重的危險之一。只有廢除核武器才能防止潛在的噩夢。立即將美國和俄羅斯的武庫削減到與其他核大國（幾百件）相同的水平，將維持其威懾力，降低核冬天發生的可能性，並鼓勵世界其他國家繼續為實現消除核武器的目標而努力。
奧巴馬總統理解這一邏輯。在他2009年2月9日作為總統舉行的首次新聞釋出會上，他說：“美國與俄羅斯合作，以有效的方式重啟關於我們如何開始削減核武庫的對話，以便我們有資格與其他國家進行對話，並開始重新縫合不擴散條約，這一點很重要。”然後，在9月24日，總統領導聯合國安理會批准了一項決議草案，該草案將加大力度消除世界上的核武器。我們的建模結果只會加強支援在此類政策上取得進一步進展的理由。
注：本文最初印刷時的標題為“區域性核戰爭，全球遭殃”