核战争的气候效应

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第547页（3391字）

1982年Cruten和Birks揭开了“核冬天”研究的序幕。

1988年联合国指出大规模核战争将给人类带来灾难性后果；估计全球性的核大战将造成约40亿人的死亡，其中10亿为直接杀伤，30亿为由“核冬天”而使人冻死、饿死和瘟疫而死亡；报告呼吁各国政府共同努力，防止核大战。至此，“核冬天”研究达到高潮。

大规模核战争引起大范围的燃烧爆炸，大量烟尘注入大气层，使大气成分在数周内发生巨大的变化。

核爆炸后所产生的烟尘粒子的尺度为次微米，在核大火产生的烟中有90%以上粒子的直径小于1μm；有5%的烟粒可进入平流层。

核爆炸引起的尘埃中有相当一部分粒子的直径小于1μm。在这些粒子中约有有1／2会进入平流层。

这些烟尘粒子会在高空停留数月，由于大量核烟尘粒子形成的气溶胶会悬浮于空中，阻挡太阳辐射到达地面而使红外线辐射容易发散到太空，因此，地面辐射平衡遭到破坏。这样，到达地面的太阳辐射通量就不能与地表面放射出来的长波辐达到平衡，必将导致高层大气升温，地面温度迅速下降乃至到达冰点以下，即核气溶胶对大气产生显着的反温室效应。这就是“核冬天”形成的基本物理机制。

核气溶胶对气候影响持续的时间，取决于它在空气中停留的时间。一般来说，气溶胶粒子从大气中清除的过程主要是重力下降、物体表面粘附以及云雨的冲刷作用，正常大气中在对流层中下层几千米高度以下由于云雨发生，气溶胶粒子有时可在几天内被冲刷掉，而在对流层中上层的气溶胶粒子可滞留几周或更长时间。在平流层很少有云形成，所以核烟尘粒子生命期可达一年或更长。

对流层的烟尘层会使地面温度短期内突然降低，而平流层的细颗粒尘埃则会使地面降温持续一年或更长时间，从而引起长期气候效应。另一方面，当地面温度下降到冰点以后，陆地表面的水将冻结成冰。这时，气候系统中为“温度－冰－反照率”正反馈机制的起作用，从而大大加深了核战争的气候效应。

各国科学家采用不同模式对核战争的气候影响进行了许多模拟研究。

其中有TTAPS的核战争分类模式、粒子微物理模式和一维辐射对流模式、能量平衡模式以及大气环流模式(GCM)，在GCM中有美国国家大气研究中心(NCAR)、前苏联科学院计算中心(CCAS)、英国气象局(UKMO)和美国俄勒冈大学(OSU)的三维模式。

下垫面降温 由于核气溶胶的反温室效应必将引起下垫面温度下降，不同模式的物理过程繁简和假设不一，其结果仅表现为降温幅度的差异。各类核战所引起的最低陆地温度大约出现在核爆后的20～30d内，对于基本型核战争，大约在20d以后陆地温度可降至－23℃，冰点以下的气温可持续数月之久。海洋上，由于其热惯性大，降温持续时间长，但降温幅度一般小于3℃。由于季节和使用模式的差异，降温持续时间和幅度也有所不同。一维能量平衡模式对全球下垫面降温的模拟结果表明，降温明显地与季节有关，夏季降温最严重，春秋次之，冬季最小；陆地下垫面降温大，降温迅速，但持续时间短，海洋下垫面降温小且缓慢，但持续时间长。地面温度的迅速下降将带来长期的气候影响，这种影响来自下垫面光学性质分布的变化，这些变化会引起反照率、热惯性和蒸发能力的改变。Robock(1984)能量平衡模式对这种影响进行评估，北半球中高纬降温的回升要长达几年才恢复到正常情况，这主要是因为海冰面积增加改变了海洋的热惯性，由核烟尘污染了的脏雪在中低纬对降温影响不大，但在高纬盛夏时影响显着。

Mitchell和Slingo研究了土壤深层热通量对降温影响，它可减少地面降温约20%，但大气层结稳定性的效应相反且量级相当，故两种物理因子的温度效应恰好抵消。

高层大气升温 由于大气中的核气溶胶强烈地吸收太阳短波辐射，将使气温升高。TTAPS模拟得出的基本型核战争引起的垂直温度分布随时间的变化，核烟尘对气温的影响使对流层高层温度明显升高，增温80℃，对流层低层温度明显下降。高空升温主要是由于那里的烟尘强烈地吸收太阳辐射，高层大气热容量小，初始温度较低，红外放射小，散失热量少，故造成大幅度增温。由于位于对流层高层和平流层的烟尘粒子可滞留较长时间，所以增温可持续数月甚至1年。

地面太阳辐射通量减少 核大战后地面太阳辐射通量都将急剧减少。

对于基本型核战争，核战开始后两周或更长时间内，半球平均的地面太阳辐射通量小于正常值的10%，这时的平均亮度低于阴沉天气的亮度。对于严重型核战，可使北半球约有40天的平均亮度低于光合作用所需光照的最低值，大约在两个月内平均亮度低于只够维持植物新陈代谢光合作用的亮度。

大气环流异常 NCAR和CCAS都对北半球发生核战争以后数周内的经向环流做了模拟。CCAS的结果是：热带地区的Hadley环流会演变成一个单独的强单体，这意味着核爆炸后全球风系发生了深刻变化，这是由于核烟尘吸收太阳辐射被强烈加热，在北半球副热带出现强上升运动所致。NCAR利用其大气环流模式对核战争的环流影响按不同季节进行了更细致的模拟，4月份(春季)的结果与CCAS的年平均情况类似，核战后16～20d，双圈环流已变成巨大的单圈环流，赤道侧的烟尘边界处为上升运动，环流单体上部平均经向风速可达2～4m／s，在30°S出现强下沉运动，但对1月份的模拟结果则不太相同，NCAR模式模拟出的未受影响的1月份经圈环流为一强北半球单体，赤道地区上升，北半球副热带下沉，受烟尘影响后，北半球单体大为减弱。这可能是因为1月份30°N以北太阳辐射较弱对环流影响较小。

干旱的出现 大规模核战争后，大气环流和热力结构都发生了巨大变化，降水必然要受到严重影响，由于高层大气升温，大气静力稳定度显着增加，气温升高后相对湿度下降，从而抑制了对流层发展，至少在大陆上是如此。由于下垫面降温较大，将使水汽蒸发显着减少，静力稳定度的增加不利于水汽向上输送，从而抑制了对流和云的形成，随之降水将显着减少，核战争后海陆热力差异显着增强，将导致类似于冬季风的盛行风出现，使大陆出现长时间大范围干旱。

海洋上的情况虽有所缓和，但对流可能也只限于边界层，因高层为大气增温所抑制。

“核冬天”可使地面温度持续数月低于冻结温度，低光照、高剂量有毒污染物以及臭氧耗竭使紫外辐射入侵地面，将会对生物圈产生严重破坏。

由于各种动植物和微生物约有2／3生存在南北纬25°以内，若出现突然降温，这些生物将面临绝种的危险。在生长季节温度降低1℃～5℃就会使农业产量显着下降，核战后第一个生长季节的农业生产将受到彻底摧毁，其恢复需要很长时间，低温、光照弱对生态系统的影响更是致命性的。由于生态系统是一个相互依存、相互竞争的系统，一旦食物链中断，就会导致另一生物的大批死亡。

“核冬天”研究将对国际政治军事产生转折性影响。

因为即使先发制人的第一次核打击取胜的国家，也将在“核冬天”下受到惩罚，而且其严厉程度不亚于敌方。

尽管对“核冬天”还有争议，这是由于数值模拟中还有许多不定因素，但一次全面核战争灾难性后果的总图像已很清楚，像降温等已为观测事实所证实。由于“核冬天”与火山爆发、森林大火、火星上全球性尘暴等相类似，对这类现象的研究将增进对“核冬天”的了解。

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【参考文献】：

1 气象科技情报所．核冬天．北京：气象出版社，1985

2 Cao Hongxing，Wan Yongzhong，Lin Yunmei．Chinese Journal Environmental Sciences，1993，5(2)：230～240

(中国气象科学研究院曹鸿兴研究员、刘四臣撰)