當核爆炸時，巨大的能量將大量的煙塵注入大氣，有的還高達12公里以上進入平流層。由於核爆炸所產生的煙塵微粒有相當大部分直徑小於1微米，它們能在高空停留數天乃至一年以上，因為它們的平均直徑小於紅外波長(約10微米)，它們對從太陽來的可見光輻射有較強吸收力，而對地面向外的紅外光輻射的吸收力較弱，導致高層大氣升溫，地表溫度下降，產生了與溫室效應相反的作用，使地表呈現出如嚴寒冬天般的景觀，稱為核冬天。過去人們以為核大戰僅僅使核爆炸地區造成大量傷亡和破壞，1988年5月23日聯合國警告世界，核大戰不僅可以直接殺傷數億人的生命，而且嚴重地破壞地球氣候和生態環境，有的地質學家認為恐龍就是由於宇宙物體撞擊地球造成森林大火，碳灰瀰漫空中，猶如核爆炸，使地表氣溫下降，氣候惡化，導致恐龍無法適應而滅絕。

核冬天理論的基本觀點是，大規模核爆炸掀起的微塵和因大火產生的滾滾濃煙，會長時間遮擋住陽光，造成全球性氣候變化，使地球處於黑暗和嚴寒之中，動植物瀕臨滅絕，人類生存面臨嚴重威脅。

科學家解釋說，當核武器在空中爆炸後，火球一觸及地面，就會將地面的上岩石、土塊汽化，它們將由隨之出現的蘑菇雲帶上天空。在火球和煙上升的過程中，又會引起周圍的空氣向爆心的抽吸，進一步將塵埃捲入煙雲之中。煙雲在被風吹走的過程中，一些較大的塵埃逐漸降至地面，以放射性物質的形式對人和物體造成傷害，而那些微細的塵埃，則將長久地漂浮於空氣之中。而光輻射又會在城市和森林中引起大火，大火所產生的滾滾濃煙在上升的過程中，必然與那些漂浮著的塵埃相遇，從而一起隨著西風帶環繞地球作週而復始的旋轉，並不斷地向南方方向擴散，最後即形成一個瀰漫於整個空間的遮擋層。

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