核冬天：人类无法承受之重

　　在全球热核战争中，地球上的每个人现在都处于危险中。人类犯了大错，将亲手灭绝自己。--卡尔·萨根

　　“核冬天”震惊世界

　　上一次关于核战争的气候影响的研究高潮是在20世纪80年代，当时美国和苏联这两个超级大国总共拥有超过6.5万件核武器，民众都生活在恐怖的核威慑中，如果这两个国家之间爆发核战，必然是全球性核战争，也将使全人类陷入灭顶之灾。

　　1982年，一篇题为《核战争后的大气层：昏暗的中午》的文章引起轰动，并引起大名鼎鼎的卡尔·爱德华·萨根的关注。萨根是美国当时最著名的天文学家、天体物理学家、宇宙学家和科幻作家，他与美国国家航空航天局的同事迅速跟进研究，在《科学》杂志上发表了《核冬天：大量核爆炸造成的严重后果》一文。“核冬天”这个词汇第一次走入人们的视野，随即引起全球性恐慌。这篇《科学》杂志上的文章指出，在一个数十亿吨当量级的全球核战之后的一到两周之内，大量浓烟和灰尘通过大气环流传遍全球，使得地球笼罩在一层烟尘中。这层烟尘阻挡了太阳辐射，使得地球上即使是中午，也会天色昏暗，全球有如“暮光之城”，由此导致地面温度大幅降低到-15℃~-25℃，出现所谓的“核冬天”。如果核战规模是稍小的1亿吨级别的，即使战争发生在夏季，也可以引起地表温度达到冰点。

　　与此同时，进入平流层的烟尘造成异常严重的臭氧损耗，导致到达地表面的紫外线辐射大量增加，这种现象被称作“紫外线之春”。由于平流层大气层结稳定，因此进入平流层的烟尘可持续数年，形成较长期的影响。在核战之后，全球所有人和生物都生活在寒冷、黑暗并且充满核辐射、超强紫外线辐射的“核冬天”里，农林渔畜牧业受到摧毁，全球出现严重饥荒，死于饥饿的人口可能多达数十亿。

　　上述研究结论得到了其他独立研究的证实，特别是苏联科学家，从冷战铁幕的另外一面印证了“核冬天”的恐怖结果。

　　当时，关于“核冬天”的研究主要基于数值模型，与现在的模型相比，那时的模型更为简单，但依然囊括了关键的物理过程，包括烟尘粒子分布，并利用米散射理论（又称“粗粒散射”“大颗粒散射”，是一种光学现象，属于散射的一种情况。当粒子尺度接近或大于入射光波长时，其散射的光强在各方向是不对称的，其中大部分入射光线沿着前进方向进行散射）计算可见光和红外光的光学属性、通量及温度变化。模型考虑了随高度变化的灰尘、烟尘、每次核爆炸对大气中氮氧化物的注入，考虑了爆炸数目、规模和类型以及爆炸位置与高度等参数。

　　尽管人们对核战争有一定的恐惧，但冷战时期各国都有针对核战争的演练、各种深入地底的防空防生化掩体、各种深航于海洋的核潜艇，使得各国都自信可以抵御核打击，并且能够保持二次打击能力。然而，“核冬天”理论的提出，让人们彻底明白核战的毁灭性后果：在全球核战里，地球上没有干净的空气，没有能躲过核战气候影响的区域，全部都会陷入长期烟尘覆盖下的低温中，动植物大量死亡，农作物减产、绝产，战备储备食品大量消耗；核战结束数年，幸存者陷入全球饥馑和死亡，所有人都成为核战受害者，无人幸免。

　　“核冬天”研究再度兴起

　　最近，关于“核冬天”的研究在学术界重新热了起来，这是因为：20世纪80年代进行的气候影响评估模型都非常简单，模拟的时间长度也有限；而从20世纪80年代到现在，气候模式有了长足发展，不仅包含完整的大气情况，而且耦合了海洋、海冰、陆面、植被过程、碳氮循环和各种复杂的化学过程，模拟性能大大提高，水平和垂直分辨率更高，各种物理过程也更加合理。另外，计算机技术也不可同日而语，当年无法实现的大规模计算，现在已经成为可能。举例而言，1985年，全球顶级超级计算机CRAY-2总共有4个处理器，其峰值运算速度可以达到每秒1.9亿次（GFLOPS）。2005年，IBM发布蓝色基因超级计算机，其峰值速度已经达到每秒280万亿次（TFLOPS），使用6万个处理器。2016年，中国“神威·太湖之光”横空出世，浮点运算速度达到每秒93千万亿次（PFLOPS）。30年过去了，超级计算机的计算能力增加了4.8亿倍以上，进步神速。

　　另一个现实问题是，尽管经过几轮谈判和努力，全球核武器数量在2017年中降低到1.5万件左右，其中仅4000件处于战备状态，该数值仅为1986年的6%左右，但总量依然不小。此外，拥有核武器的国家从20世纪80年代初的8个增加到9个，其中，南非退出核武器国家行列，而巴基斯坦和朝鲜成为有核武器国家，它们与印度和以色列都未加入《防止核扩散条约》（NPT）。拥核国家和非NPT国家数目的增多，意味着不确定性的增大，成为悬在人们头顶的达摩克利斯之剑。

　　因而，在“核冬天”威胁基本解除30年后的今天，人们依然关注核问题，只不过关注点放在了以下两点：第一，冷战结束多年，剩余的核武器是否依然可以导致“核冬天”？第二，如果在区域冲突中发生小规模核战争（这里所说的“小”是相对于美苏争霸期间数万枚核导弹齐发的核战争），会导致什么样的结果？

　　对于这两个问题，科学家们给出了答案，首先，目前剩余的核武器依然可以制造出“核冬天”；而且，新的研究表明，其持续时间远比人们以前的估计要久。其次，区域核战争虽然不会导致“核冬天”，但会使数百万/千万人口死于爆炸、核辐射、火灾，战争将导致全球温度降低、农业受损，并且持续时间超过10年，死于饥馑及其相关冲突的人数可能超过核战争本身。

　　一场100枚核弹的“小”战争

　　针对区域性核战争的影响，科学家们虚构了一场发生在印度和巴基斯坦之间的核战争。在某次冲突中，因为两国之间沟通不畅、战略误判、恐慌和恐惧而爆发了核战，相互向对方发射了50枚核武器，每枚的当量为1.5万吨（相当于广岛爆炸的原子弹当量），总共100枚核弹（占全世界核武器总量的0.03%）。这样规模的战争会引起什么样的气候响应呢？

　　研究发现，在核爆炸中，除了蘑菇云中大量的细颗粒灰尘之外，燃烧所产生的抽吸作用也非常重要，这会快速把低层燃烧的黑炭气溶胶输送到大气高层。

　　关于核战争引起的火灾效应，可以参照1906年5月5日的旧金山大火。当日，旧金山发生地震，一小时之内大火熊熊。媒体报道称：“地震之后，大火熊熊，形成的可怕烟柱在100英里以外都看得见，接下来的三天三夜里，这烟柱在空中摇摆，太阳变得血红，天昏地暗，地上满是烟尘……在这个死亡之城，风从四面八方吹进去，大火使得热空气上升，形成巨大的抽吸作用，在大气层中形成一个巨大的烟囱……火焰周围和附近，确实大风呼啸，抽吸向上，如此强大……”

　　核战争引起的熊熊大火会导致大量烟尘向上输送。美国科罗拉多大学欧文·图恩等人在2007年的研究中估算了50颗1.5万吨当量的核爆炸引起的黑烟量。由于各国城市规模不同，因此引起的烟尘量也有所差别，其中在中国引起的黑烟量最多，达到5.2兆吨；其次是印度，达到3.7兆吨；巴基斯坦约为2.9兆吨；日本和俄罗斯相当，约为1.9兆吨，美国约为1.2兆吨。

　　这场印巴核战爆发后，100朵蘑菇云在南亚上空升腾，剧烈的爆炸声在数千千米外都可以听到。数小时之内，2000万人死于直接的核爆炸和核辐射，这一数值是第二次世界大战总死亡人数的一半；有些研究估算出的直接死亡人数更是高达4400万。有些超级大城市可能在战争中经历多次核爆炸，这些放射性核物质尘埃降落的城市在战后或许将被永久遗弃。考虑到燃烧效率和各种沉降过程，最终有5兆吨细颗粒烟尘被喷射入平流层。

　　在最初的4个月里，核战产生的5兆吨黑炭气溶胶会损失1.2兆~1.6兆吨，主要是因为在穿越对流层高层过程中的干湿沉降。剩余的黑炭逐渐通过大气环流被输送到全球各地，并不断沉降。即使经过10年，大气中也还剩余1.1兆吨的黑炭。

　　黑炭一方面加热平流层引起臭氧损耗，另一方面阻绝太阳辐射，导致地球表面降温，同时引起平流层里全球输送环流（BDC）减弱，中层大气加热和地表降温导致热带地区向上的垂直输送减弱50%以上，使得更少的新鲜空气进入平流层，导致平流层中的黑炭更难沉降，从而飘浮更长时间。

　　在约3.6兆吨黑炭气溶胶进入中层大气之后，引起到达地表的太阳辐射降低12瓦/平方米，约等于太阳辐射总量的8%；10年之后，到达地表的太阳辐射依然降低3.8瓦/平方米，这与1991年菲律宾皮纳图博火山爆发后的最大辐射影响相当，恢复到正常值最少需要20年以上。

　　计算表明，在核战一年之后，全球平均温度降低了1.1℃，并持续走低；到核战结束后第5年，全球平均温度降低了1.6℃。此后，尽管温度开始恢复，但是到第10年，全球平均温度降幅还是达到1.1℃；在核战后20~23年，全球平均温度降幅依然有0.25℃~0.5℃。降温之所以如此持久，主要是因为考虑了海洋巨大的热惯性，经历长达10年的降温之后，海洋恢复起来需要更长时间。

　　这种幅度的降温会是过去1000年里最大的，当全球平均表面温度降低1.5℃时，部分区域降温幅度会更大，尤其是在北半球人口稠密的大陆区域。在夏季，南非、南美的降温幅度达到2.5℃，这样振幅的降温持续5年。而北美、亚洲、欧洲和中东大部分地区在冬季的降温幅度达到2.5℃~6℃，夏季降温达到1℃~4℃。如果考虑到无霜期，即最小温度在冰点以上的时间，在核战后5年，全球作物平均生长季的时间长度减少了40天。其中生长季变化最显著的区域主要在北欧、俄罗斯、北非、中东、北美北部、安第斯山脉和喜马拉雅区域。

　　在核战后的第一年，全球平均日降水减小0.18毫米，这种减少程度达到全球降水平均值的约6%，并且这么大幅度的降水减少会一直持续。到第五年，降水减幅达到最大值，约占全球降水量的9%。第10年，全球平均降水依然比正常年份少4.5%。即使在核战后26年，全球平均气温和降水仍然比正常年份偏低。与降温相对应，降水变化最明显的区域包括亚洲季风区、中东、印度次大陆、南亚地区，日降水减幅达到0.5~1.5毫米，占这些区域降水总量的20%~80%。南美的亚马孙地区、南非、美国西南、澳洲西部等地区的降水减幅也比较明显，达到20%~60%。

　　核战争引起的气候效应还体现在海冰和海洋环流变化上。在核战后第5年，北极海冰面积持续增加；在核战后第4~7年，北极海冰面积达到峰值，增加了10%~25%。南极海冰面积在核战后的第7~15年达到峰值，增加了20%~75%；在接下来的20~26年里，南极海冰面积依然比正常年份扩展了5%~10%。这种海冰面积的大范围扩展不仅影响了大气和海洋之间的热量输送，而且增加了地球的反照率，从而将更多的太阳辐射反射回太空，进一步导致地表气温降低。

　　伴随海洋表层温度的降低，海洋深层的温度也进行着调整：100米以下温度降幅超过0.5℃，并一直持续到核战后第12年；200~500米以下的海温降低也一直持续到核战后第26年；1000米的温度扰动持续时间更长。表层海温变化受大气温度变化的影响，与表层气温变化同步；深层海洋的温度扰动峰值则会滞后一定时间，海洋表面下100米处在核战后大约8年达到最低值，而海表面下200米处的低温峰值则出现在核战后第10~16年，海表面下300米处的峰值出现在战后第18年左右，500米处的峰值则出现在核战后第20年前后，1000米处的峰值在核战后的第26年以后才会出现，因此深层海洋的变化会将核战造成的影响时间延长，从而造成深远的气候影响。

　　黑炭气溶胶的属性决定这种气溶胶会强烈吸收太阳辐射，加热中层大气。在核战争刚开始时，平流层被黑炭气溶胶笼罩，在平流层顶（距离地面五六十千米）区域造成的增温幅度高达80℃，在接下来的5年里，全球平流层增温幅度达到30℃以上。与这种增温相伴的是平流层严重的臭氧损耗，在核战争后的第2~5年，全球平均臭氧损耗达20%~25%，随后臭氧浓度逐渐恢复，到第10年，全球臭氧损耗量依然有8%。不过，各个区域的臭氧损耗量不同，核战后的前5年，北半球中纬度地区臭氧损耗量达到30%~40%，北半球高纬度地区臭氧损耗达到50%~60%。

　　与臭氧损耗相对应，到达地表面的紫外线辐射大幅增加，如果折合成紫外线指数，则核战爆发3年之后，北半球中纬度地区6月份的紫外线指数平均增加3~6，从而使得北纬10°~35°的中纬度地区，紫外线指数达到15以上，其中在北美西部、南欧、伊朗与青藏高原等地区，紫外线指数达到18~24。

　　按照世界气象组织的标准，紫外线指数超过3就要采取防晒措施，指数为8~10是非常高的数值，在正午时分出门要采取保护措施避免阳光直射；当紫外线指数达到11以上即为“极高值”，中午应尽量不外出，即使必须外出，也要采取防护措施。

　　核战后，人口密集的北美和南欧等地紫外线指数将达到令人恐怖的12~21。对于欧美白种人而言，正常情况下的6月份，在紫外线指数达到10的太阳照射下，仅需10分钟就会使皮肤晒伤，当紫外线指数增加到16时，约6.25分钟即可以达到相同的晒伤程度，这将让阳光变得更加危险，皮肤癌和视网膜患病人数飙升。

　　与此同时，温度降低和生长季的变化将对农作物的产量产生巨大影响。核战之后，各国的粮食安全将出现很大问题，巨大的粮食需求缺口会引起严重的社会问题，物价飞涨与社会动荡不可避免，大量人口返贫。世界陷入干冷黑暗的全球饥荒中，各国因为粮食问题摩擦不断，地区性冲突不可避免，大规模的战争也可能发生，冲突、饥馑、贫困与死亡将伴随整个区域核战结束后的数十年，造成的人口死亡远远超过核战本身的直接死亡人数。

　　核战争的阴影时刻伴随

　　一般而言，美国一艘战略核潜艇可以携带96枚核弹头，每个核弹头的当量在10万~47.5万吨，这使得每一艘战略核潜艇具备相当于1000枚广岛核炸弹的威力。目前，美国有14艘战略核潜艇，而它们所携带的核武器数量还不及美国核武器数的一半。

　　如果进一步假设发生了一次核战，美国发射完一艘战略核潜艇的所有核弹头，总共1000枚广岛核炸弹产生的总烟尘量会达到50兆吨；如果美国使用3艘战略核潜艇的所有核弹头，其核当量相当于广岛核炸弹的3000倍，将产生150兆吨的总烟尘量。

　　当爆炸和燃烧产生50兆吨烟尘后，引起的全球降温达到4℃左右，这种降温幅度与上一次冰期的地球温度相当，引起的降水减幅达到0.8毫米/日。而150兆吨的烟尘注入，引起的温度降幅达到8℃，降水减幅达到每1.4毫米/日。这将是一个恐怖的“核冬天”！然而，即使达到150兆吨的烟尘量，所动用的核武器也只占目前世界核武器总量的1%左右。

　　因此，核战是人类无法承受之重，它所引起的气候变化在人类历史中可能都是史无前例的。作为“国之重器”，核武器的杀伤力和对人类的危害不可小觑。

　　国际核裁军任重道远

　　2017年7月7日，联合国以122票赞成（包括伊朗）、1票反对（荷兰）、1票弃权（新加坡），通过了在全球范围内禁止核武器的条约《禁止核武器条约》（简称《条约》）。此次投票中，包括安理会五个常任理事国、所有拥核国家、韩国、日本等在内的69个国家没有参加谈判。

　　《条约》明确规定，缔约国不应发展、生产、制造或以其他方式获得、拥有或储存核武器，也不应使其领土或其管辖的任何地方存在其他国家的核武器；《条约》还规定，拥有核武器的国家应当以不可逆转的方式消除核武器，并规定了具体的核查机制。

　　无核国家通过一项禁止核武器的条约，希望规定拥有、使用或者威胁使用核武器为非法，这是一项从一开始就看起来有点滑稽色彩的法案。有人把这件事情比喻为：一群吃草的绵羊通过法案，规定老虎吃肉是非法的。此次联合国通过的《禁止核武器条约》，因为拥有核武器的国家都没有参与，使得其可操作性大大降低，也使得实施禁核几乎成为不可能。

　　不过，国际社会已经明确表明了禁核的立场，其象征意义不可小觑。

　　该法案将从2017年9月20日开始署名，在完成批准等国内手续的国家达到50个后，经过90天即可正式生效，其效果尚有待于时间的检验。

　　建造一个全面禁止和彻底销毁核武器的世界，任重而道远。

　　魏科

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