互动科普

25年前，国际科学家团队证明美国和苏联之间的核战争会导致“核冬天”。核弹投放在城市和工业区时引起的大火，会产生大量浓烟，这些富含辐射的烟尘将包围地球，吸收大量阳光，使地球表面变得寒冷、黑暗、干燥，并会杀死全球植物，破坏我们的食物供给。夏天，地球表面的温度也和冬季一样。国际上对这样的预测进行了讨论，主要是天文学家卡尔·萨根（Carl Sagan），他呼吁两个超级大国的领导人认真评估这种核冬天出现的可能性，因为这两个核大国的武器竞赛，威胁的不仅仅是它们自身，还有整个人类。为了全人类的安全，无论是大国还是小国都必须进行核裁军。

核军备竞赛让核冬天随时可能来临。2000年，戈尔巴乔夫（Mikhail S. Gorbachev）说:“俄罗斯和美国的科学家建立的模型显示，核战争会导致核冬天的出现，极大地危害地球上的所有生命；因此，这一信息对于我们，对于尊贵、正直的人们来说，是一个巨大的冲击，促使我们采取行动。”

既然冷战已经结束，为什么现在还要讨论这个话题？因为其他国家还在继续研制核武器，即使是小型的局部核战争也会带来类似的全球灾难。最新分析表明，印度和巴基斯坦之间的冲突会导致可怕的后果，如果在城市和工业区投放100枚核弹（只有全世界超过25,000枚核弹头的0.4%），就会产生足够的烟尘，致使全球农业瘫痪。一个局部核战争会导致大量人口死亡，即使在地理上远离冲突的国家也一样受害。

局部战争威胁全球

随着现代计算机和现代气候模型的发展，我们和同事已经证明：20世纪80年代关于战争产生破坏作用的想法不仅是正确的，而且破坏作用持续的时间要比先前认为的长得多，至少有10年。只有技术发达的今天，我们才能运用快速、现代化的计算机，对包括海洋和整个大气进行模拟，以数十年为时间跨度来评价核战争对人类生存环境的影响。我们发现，即使是一个地区性局部战争，产生的烟尘也会被太阳加热，悬浮在高层大气中很多年，持续遮挡并反射照射到地球表面的阳光，从而使地球表面降温。

今天，印度和巴基斯坦拥有的核弹头总数超过100枚，它们也许是最令人不安的、能够发生局部核冲突的敌对国家。除美国和俄罗斯（各自拥有数千枚）以外，其他拥有较多核武器的国家为：中国、法国、英国，它们有数以百计的核弹头；以色列目前拥有超过80枚核弹头，朝鲜大约为10枚，而伊朗很可能想自己制造核武器。2004年，上述形势促使20世纪80年代研究战争对环境影响的专家、本文作者之一图恩，开始评价局部核战争对全球环境的影响，并将印度和巴基斯坦之间可能爆发的冲突作为一个案例。美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的里奇·特科（Rich Turco）后来也加入了这项研究。

根据美国科学与国际安全研究所（Institute for Science and International Security）戴维·阿尔布赖特（David Albright）和美国自然资源保护委员会（Natural Resources Defense Council）罗伯特·S·诺里斯（Robert S. Norris）的最新估计，印度有50至60枚装配完毕的核武器（如果有足够的钚，可以达到100枚），而巴基斯坦有60枚。目前，这两个国家仍在继续增加它们的核武器库。印度和巴基斯坦的核武器试验表明，弹头威力类似于15,000吨TNT炸药产生的爆炸效果，与美国投放在广岛的那颗原子弹效力相当。

图恩、特科和现在在美国国家大气研究中心（National Center for Atmospheric Research）工作的查尔斯·巴丁（Charles Bardeen），模拟了50颗与广岛原子弹相当的核弹投在巴基斯坦人口密度最大的地方，以及相同大小的50枚核弹投在印度，会发生什么情况。有些人仍然认为，核武器只会在经过慎重考虑之后才被使用。但是，一旦核战争爆发，混乱、恐惧和通讯中断都会随之而来，我们怀疑领导人在这种情况下还会不会将核攻击限制在理性范围内。对巴基斯坦来说，出现这种情况的可能性较大，因为这个小国在传统战争中很可能会迅速败北。美国海军研究生院的彼德·R·拉沃伊（Peter R. Lavoy）就分析了印度和巴基斯坦之间冲突的发生方式。他认为，在印度使用传统武器扫荡巴基斯坦军事基地之前，巴基斯坦将面临选择，决定是否使用它所有的核军火库。

很明显，我们希望在未来战争中不用核武器，但是决策制定者和选民应该知道，一旦核战争爆发，可能会出现什么样的情况。图恩和特科发现，这两个国家可能会有20多万人死于爆炸产生的冲击波、大火和放射性物质——这是一场可怕的屠杀。但是令研究者震惊的是，他们发现，如果核弹被丢在这两个国家的大城市，将有大量烟雾产生。这样的研究假设，每场大火的焚烧面积都跟广岛实际的焚烧面积一样大；不同的研究还假设了不同的人均拥有可燃材料的数量。按照他们的计算，如果有50枚核弹在巴基斯坦爆炸，将产生300万吨烟尘，同样地，如果有50枚核弹击中印度，则会产生400万吨烟尘。

卫星对实际森林火灾的观测已经表明，它们产生的烟可以悬浮在对流层（troposphere，大气的最底层），有时会输送到平流层（stratosphere，对流层上方，位于离地表10千米至50千米处）。对于进入平流层的烟雾对气候的可能影响，图恩和特科也作了一个粗略的估算。这种效应产生的巨大影响使他们认识到，他们需要气候模型的帮助。

现在，本文的另一位作者罗伯克已经开始与卢克·欧曼（Luke Oman）和格奥尔基·L·斯滕奇科夫（Georgiy L. Stenchikov）一起工作了。欧曼在美国罗格斯大学完成了关于火山喷发气候效应的博士学位论文，现在在美国航空航天局戈达德空间飞行中心工作。罗格斯大学的斯滕奇科夫则是俄罗斯最早研究核冬天的科学家之一。他们开发了一种气候模型，可以很容易地用于核爆炸的计算。

罗伯克和他的同事采用较为保守的分析，假设在5月15日，把500万吨烟雾量放入位于印度和巴基斯坦上空的对流层模型中。这个模型计算了风将这些烟雾吹散到全世界的过程，以及烟尘微粒从大气层中沉淀出来的过程。结果显示，核爆炸产生的烟尘在两周之内就能够覆盖所有陆地。乌黑的烟尘吸收了阳光和热量，上升至平流层。由于平流层里没有雨水，空气不会被降水所清洁；在空气阻力的作用下，气溶胶微粒从空中沉淀下落的速度也非常缓慢。烟尘粒子很小，平均直径只有0.1微米，因此下降速度也非常慢。而且由于阳光加热，烟尘粒子在白天会上升，不断延长它们在大气中逗留的时间。计算结果还显示，和火山喷发产生的硫酸盐微粒相比，烟尘粒子能到达平流层上部更高的位置。硫酸盐微粒比烟尘粒子更大（平均直径为0.5微米），而且更透明，吸收的阳光较少。火山喷发产生的微粒能在大气中持续存在两年左右，而核爆炸燃烧产生的烟尘粒子会在大气中持续存在十年。

夏季除霜

烟尘对气候产生的影响令人惊奇。当全球被大量烟尘覆盖时，光照会快速减少，使全球温度降到过去1,000年中都未曾有过的最低温度。全球气温将平均下降1.25℃，并且持续好几年，甚至在10年之后，气温还会比正常年份低0.5℃。模型还显示，全球范围内的降水会减少10%。烟尘对阳光的遮蔽减弱了蒸发和全球水循环，导致降水、河流流量和土壤湿度全部减少。不过，由于全球变冷会阻碍热带地区大气的哈德利环流（Hadley air circulation，空气在赤道附近受热做上升运动，随后向两极方向移动，然后逐渐冷却，在南北纬30°附近向下运动，并沿着地面流回赤道的环流。这一环流在使热带边缘的干旱地区变得干燥的同时，携带大量湿气到多雨地区，带来了大部分全球降水），干旱将主要集中在低纬度地区。在一些重要地区，比如亚洲的季风地区，降雨量将下降40%。

降温看起来似乎不多，但即使是很小的降温都会引起非常严重的后果。在中纬度地区，降温和光照减少会缩短农作物的生长期。对降温的进一步了解来自于对大规模火山喷发后果的分析。有时这样的喷发会造成持续一到两年的气温下降。过去五百年中最大的一次大气降温事件是1815年印度尼西亚的坦博拉火山喷发，火山灰遮蔽太阳光，使全球气温降低0.5℃，持续时间长达一年，导致1816年成为了“无夏之年”（The Year without a Summer）。在新英格兰，虽然夏天的平均气温才低了几摄氏度，但能够冻死农作物的霜冻每个月都会发生。在第一场霜冻过后，农民重新种植了作物，但很多时候只能眼睁睁地看着农作物被下一场霜冻冻死。谷物价格飞涨。由于缺少饲料的供给，农民纷纷卖掉他们无法饲养的家畜，导致家畜价格直线下降。大量居民从新英格兰迁移到美国中西部，因为他们听说那里有肥沃的土地。在欧洲，由于天气阴冷，股票市场也崩溃了。饥荒大量出现，当时18岁的玛莉·雪莱（Mary Shelley）受到启发后撰写了小说——《弗兰肯斯坦》（Frankenstein）。

冬小麦之类的一些特定植物可以抵抗低温，但光照的缺乏将抑制它们的生长。在我们的模型中，阳光可以透过浓厚的烟霾，但是在地面上，每天看起来都像是完全被烟雾笼罩。除非能预先知道未来可能发生的情况，否则农学家和农民不可能开发出所需的种子，或根据实际环境的不同调整农业种植策略。

除了寒冷、干燥和黑暗之外，由于烟尘加热了平流层大气，大量臭氧会被损耗，因为产生和破坏臭氧的反应是由温度决定的。美国科罗拉多大学博尔德分校的迈克·J·米尔斯（Michael J. Mills）采用一个与罗伯克的模型完全独立的气候模型，也得出了烟尘上升和平流层温度变化等相似的结论。他总结说，虽然地球表面的温度可能只会降低一点点，但由于黑烟粒子吸收了阳光，平流层大气会被加热50℃以上。这种升温反过来也会改变平流层的风场，把破坏臭氧的氮氧化物带到平流层上层。高温和氮氧化物的共同作用，能够将臭氧浓度降低到危险境地，就像每年春天南极洲上方都会出现的臭氧空洞一样。地面的紫外线辐射会由于臭氧的减少而迅速增加。

阳光和降水的减少、寒冷期的延长、耕种季节的缩短及紫外线辐射的增强，都会降低农产品产量，甚至绝收。降温和臭氧浓度减少在南北半球的中高纬度地区影响显著，降水量下降则在热带地区最为显著。

每一种环境变化造成的特殊破坏，取决于独特的作物、土壤、农业方式和区域气候模式。目前，还没有研究者完整详细地分析过这种农业的连锁反应。然而，即使是一切如常，养育不断增长的人口也需要依靠全球性的食物运输来弥补由于干旱和季节性天气变化而造成的地区性农业歉收。目前，地球上的农作物储存总量可供全球人类维持仅两个月（参见《环球科学》2008年第6期《粮食危机毁灭全球文明？》一文）。大部分城市和国家的粮食储存只够维持极短的时间，食物短缺（价格也随之上涨）在最近几年不断增加。很显然，核战争会立即造成各个地方农作物产量急剧降低，而全球恐慌会使全球农业交易体系陷于停滞，许多地区食物将严重短缺。如果印度和巴基斯坦之间发生核战争，或者其他地区发生核战，现在挣扎在粮食供应系统边缘的大约10亿人口，将直接受到饥荒威胁。

所需的独立证据

一般来说，科学家需要用实验来检验模型和理论，但很显然，对于核战争我们不可能做实验。因此，我们需要寻找一些能够验证这一模型的类似事件。

烧焦的城市：大爆炸造成的强烈能量释放，将大量烟尘推入高层大气。1906年的地震中，美国旧金山被全部烧毁；在二战中，包括德国的德累斯顿、汉堡、日本的东京、广岛和长崎等，整个城市都被毁掉了。这些事实都证明严重城市火灾所产生的烟尘能够被输送到高层大气。

季节循环：在真正的冬季，气候会因白昼缩短和光照强度减弱而变得更冷；简单的季节变化帮助我们量化太阳辐射减少带来的影响。我们的气候模型能很好地再现四季循环，也证实了它们可以很好地反映光照变化。

火山爆发：爆炸性火山喷发，例如1815年坦博拉火山、1883年喀拉喀托火山、1991年皮纳图博火山爆发都提供了许多经验——在平流层中形成的硫酸盐气溶胶云能够被风输送到世界各地。每次火山爆发之后，地球表面的温度都会随含粒子云层的增厚而直线下降。皮纳图博火山爆发之后，很快全球表面温度平均下降了0.25℃，全球降水、河流和土壤湿度也都减少了。我们的模型可以重复这一效应。

森林火灾：由森林大火产生的烟尘，有时会被带入对流层和平流层下部，从而被运送到更远的地方，造成全球降温。在预报这种影响的时候，我们的模型表现得也很好。

恐龙的灭绝：6,500万年前，一颗小行星撞击了墨西哥的尤卡坦半岛。撞击产生的尘埃云和大火产生的烟尘混合在一起，遮住了阳光，造成了恐龙灭绝。与此同时，印度的火山大喷发也加剧了这种效应。这些事件告诉我们，地球高层大气中的大量气溶胶粒子可以改变气候，足以灭绝强壮的地球生物。

过去，我们用这种类似情况去检验和证实我们的模型。但是我们希望有更多的人来做进一步的工作。即使是一个能够证实或者反驳我们观点的独立模型都将非常有益。目前，我们还没有实施农业影响研究，我们特别欢迎这方面的工作。

废除：唯一的对策

人们对核冬天有一些错误的印象。一种观点认为，核爆炸对气候的影响是未经证实的，但这并不是事实（见第74页边栏）；另一种观点是，人们将经历的是“核秋天”而不是核冬天。但我们的最新计算显示，即使是地区性冲突产生的气候影响，也影响全球并且后果严重。人们在20世纪80年代使用的模型和计算机，还无法计算烟尘的上升和持续时间，也无法计算烟尘最终消失后海洋回升到正常温度的时间；全面核战争的现代模型预报的也是一场核冬天，而不是核秋天。

另一种错误印象认为，核冬天问题即使存在，也已经在核武器军备竞赛结束时被解决了。然而，事实上，核冬天能够轻易地用美俄如今的核军火库（nuclear arsenal）制造出来，核军火库的这一规模至少要维持到2012年。此外，随着拥有核武器的国家和地区越来越多，有意或者无意爆发核战争的机会也增加了。朝鲜已经威胁说，如果国际社会继续拦截并检查朝鲜的船只是否在运输核材料，朝鲜就要开战。幸运的是，目前朝鲜还没有可以使用的核军火库，但不久的将来，它可能会拥有一个可以覆盖全球的核军火库。在最近几次恐怖分子袭击印度之后，印度的一些极端主义领导人主张用核武器攻击巴基斯坦。由于印度用常规军力能迅速蹂躏巴基斯坦，如果巴基斯坦觉得印度将要进攻，就很可能使用核武器对付印度。伊朗威胁要消灭以色列，并拒绝停止核活动，以色列也已经发誓绝不允许伊朗成为一个核国家。上述每一个例子提到的那些国家，都在并未得到什么警告的前提下，想象自己的安全受到了严重威胁。这些冲突点都有突然爆发战争的可能。

第一次核战争对世界的冲击如此之大，以至于后来人们虽然大量研制核武器，却从没有再使用过。但是，要彻底消除爆发核战后产生气候灾难的可能性，唯一方式就是消除核武器。美俄军火库的迅速减少可以为世界上的其他国家树立榜样——核武器不能用，也不需要用。

在 《削减进攻性战略武器条约》（Strategic Offensive Reductions Treaty, SORT）下，美国和俄罗斯都承诺到2012年底将部署的战略核弹头减少到1,700至2,200枚。2009年7月，美国总统奥巴马和俄罗斯总统梅德韦杰夫同意，到2016年进一步将核弹头减少到1,500至1,675枚。虽然缩减战略军火库值得肯定，但我们新的研究结果显示，即使较小的局部核战争也足够摧毁全球的农业生产。如果核武器以城市为主体目标，那么数亿人会被杀死，多达1.8亿吨烟尘会被输送到全球的平流层。在主要农业地区，即使是夏天的平均气温也会持续几年都低于0℃。即使是一个导弹潜艇中的弹头制造的烟尘，也足以带来全球性的环境灾难。

把核扩散、政治的不稳定和城市人口问题加起来，可能会构成自人类诞生以来对社会稳定的最大威胁。只有废除核武器才能防止这个噩梦在真实世界发生。迅速将美国和俄罗斯的核武器降至与其他国家同样的水平（仅仅几百枚），将会维持其威慑力，减少核冬天发生的可能性，也会鼓励世界上其他国家继续为全面消除核武器而努力。

美国总统奥巴马明白这一逻辑。2009年2月9日，他在就任总统的第一次新闻发布会中说：“对于美国来说这很重要，和俄罗斯达成一致……重新开始讨论如何有效地减少我们的核军火库，这样我们才有资格将注意力转向其他国家，一起开始重新修复防止核扩散的那些条约。”随后在2009年9月24日，由奥巴马总统主持，联合国安理会（United Nations Security Council）批准了一项决议草案，它将积聚更多的力量来消除世界核武器。我们的模拟结果，使支持这一政策的理由得到了进一步的加强。