问题

“核冬天”的理论有几成科学性?如果它真到来了,人类可能存活下去么?

回答
“核冬天”这个词,听起来就足够让人胆寒。它描绘了一幅末日景象:全球被厚重的烟尘笼罩,阳光几乎无法穿透,气温骤降,大地被冰雪覆盖,文明瞬间崩溃。那么,这个恐怖的设想,究竟有多少是科学的猜想,又有多少是科幻的渲染?如果真的发生了,人类还有一线生机吗?

要评估“核冬天”的科学性,我们得回到它最初被提出的那个时代——冷战高峰期,也就是上世纪70年代末到80年代初。当时,美苏两国在核武器方面的军备竞赛达到了白热化程度,核战争的威胁如影随形。科学家们开始认真思考,如果真的发生大规模的核战争,其后果将是怎样的?

“核冬天”理论的核心,其实是基于物理学和气候学的规律。当核弹在地面或近地面爆炸时,会产生巨大的火球和高温,瞬间将大量的土壤、建筑物碎片以及燃烧的有机物(比如森林、城市中的易燃物)卷入大气层。这些物质被高温推向高空,形成巨大的烟尘团。

关键在于,这些烟尘团会上升到平流层,一个比我们日常生活的对流层更高、更稳定的空气层。在平流层中,这些细小的颗粒物可以存在很长时间,数周、数月甚至更久,而且不容易被雨水冲刷下来。当这些烟尘层足够厚、足够广时,它就能有效地阻挡太阳辐射到达地表。

这就是“核冬天”的根源——太阳光被遮蔽。我们知道,地球的温度主要由太阳能来维持。如果来自太阳的光线被厚厚的尘埃屏障挡住,地表接收到的能量就会急剧减少。正如在阴天时,我们能感受到气温下降一样,如果全球都被烟尘覆盖,地表温度就会大幅度下降,甚至可能降到零摄氏度以下,进入一个类似冬季的状态,而且是极度严寒的冬季。

科学家们通过模型计算来模拟这个过程。他们会根据核弹爆炸的当量、爆炸地点、燃烧物的类型和数量,以及大气环流的模式,来推算能有多少烟尘被送入平流层,以及这些烟尘会在多大程度上遮蔽阳光。早期的模型,尤其是上世纪80年代初的模型,普遍认为如果发生一场与当时美苏两国核武库规模相当的大规模核战争,产生的烟尘足以引发一场全球性的“核冬天”。一些研究甚至预言,地表温度可能下降几十摄氏度,并且持续数年之久。

那么,这个理论的科学性究竟有多少呢?可以说,“核冬天”的理论基础是坚实的科学原理,比如燃烧产生的烟尘、大气层中颗粒物的传播和沉降规律、以及太阳辐射的阻挡效应。这些都是经过物理学和大气科学验证的。然而,其准确性很大程度上取决于模型参数的精确性以及对复杂过程的模拟能力。

具体来说,科学性体现在以下几个方面:

燃烧产物与烟尘: 核爆炸引发的火灾产生大量烟尘是确凿的事实。科学家们可以估算燃烧的燃料总量以及烟尘的产量和性质。
烟尘的升入平流层: 大规模的城市或森林火灾,特别是核爆炸产生的超大尺度火灾,有能力将烟尘颗粒送入平流层。这是因为爆炸产生的上升气流极为强大。
太阳辐射的阻挡: 烟尘颗粒对太阳光的散射和吸收能力是已知的物理特性。颗粒的大小、形状和成分都会影响其光学性质。
全球扩散: 大气环流会将这些烟尘颗粒在全球范围内传播,形成一个均匀或不均匀的烟尘层。

但是,模型也存在不确定性:

燃烧效率: 核爆炸和随之而来的火灾的真实燃烧效率,有多少燃料能真正被烧毁,以及燃烧产生的烟尘具体有多少,这些都难以精确估算。例如,现代城市的建筑材料和灭火技术的进步,可能会影响火灾的规模和烟尘产量。
烟尘颗粒的特性: 烟尘颗粒的大小分布、光学特性(例如,是吸光还是反射光)、以及在平流层中的化学反应和聚集过程,都会影响其在天空中的停留时间和遮蔽效应。
气候反馈机制: 模型需要考虑复杂的反馈机制,例如云层的形成、降水的变化,以及这些变化如何影响烟尘的清除或扩散。
核战争的规模和性质: 实际的核战争规模和目标的选择(例如,是攻击城市还是军事基地)会极大地影响烟尘的总量和分布。

因此,与其说“核冬天”是一个确定的预言,不如说它是基于科学推演的一种可能性。自上世纪80年代以来,随着对气候模型和核武器效应研究的深入,科学家们对“核冬天”的强度和持续时间进行了更精细的模拟。一些较新的研究认为,即使是大规模的核冲突,其对全球气候的影响可能没有早期模型预测的那么极端,例如温度下降的幅度可能没那么剧烈,持续时间也可能相对缩短。但即便如此,其造成的全球性气候异常和生态破坏也足以是灾难性的。

如果“核冬天”真的到来了,人类可能存活下去吗?

这是一个极其严峻的问题,答案是:极少数人或许能够依靠极端的生存策略勉强维持,但文明社会将不复存在,绝大多数人会死亡。

让我们细致地描绘一下在这种情境下,人类将面临的挑战,以及潜在的生存之道:

面临的挑战:

1. 极度低温: 地表温度可能骤降到零度以下,甚至在某些地区达到零下几十度。这对人类的生存能力是巨大的考验。没有充足的保暖措施和稳定的能源供应,很多人会在寒冷中丧生。
2. 粮食短缺: “核冬天”不仅仅是寒冷,更严重的是对农业的毁灭性打击。阳光被遮蔽意味着光合作用几近停止。农作物无法生长,牲畜也会因为缺乏饲料和寒冷而死亡。即使有种子,没有阳光也无法发芽。全球性的食物链将彻底崩溃。
3. 饮用水危机: 地表水体可能结冰,而融雪化冰需要消耗大量能源。大规模的水源污染也是潜在的威胁。
4. 生态系统崩溃: 动植物将难以适应剧烈的气候变化和食物链的断裂。许多物种会灭绝,生态平衡被打破。
5. 辐射污染: 核爆炸本身会产生放射性尘埃,虽然大部分会在高空被清除,但仍有一部分会降落地表,造成区域性的辐射污染,增加癌症和遗传疾病的风险。
6. 基础设施瘫痪: 核战争将摧毁电力、通信、交通、医疗等关键基础设施,社会秩序将瓦解,政府失去运作能力。
7. 疾病和瘟疫: 恶劣的环境、食物和饮水短缺、卫生条件的极度恶化,以及医疗体系的崩溃,将导致大规模的疾病传播。

潜在的生存之道(极其渺茫):

尽管前景黯淡,但人类的生存韧性也不容忽视。如果说还有可能活下去,那么幸存者必须具备以下条件和具备以下生存策略:

1. 地下庇护所与能源: 最有希望的幸存者可能是在发生核战争时,身处精心设计的、能够抵御核辐射和核爆炸冲击波的地下掩体中。这些掩体需要具备:
独立的能源供应: 例如,核动力小型反应堆(虽然在混乱中维护极其困难)、地热能、或者储备充足的化石燃料发电机。
长期食物和水源储备: 罐头食品、脱水食品、以及能够循环利用的淡水系统。
受控环境: 包括空气过滤系统(抵御辐射和有害气体)、温度控制以及人工照明。
足够大的空间和资源: 能够支持一群人生存数年甚至更长时间,并具备一定的种植能力。

2. 生物圈或受保护的温室农业: 那些拥有先进封闭式农业系统的人可能有一线生机。这包括:
地下或半地下温室: 利用人工照明(可能来自地热能或早期储备的能源)进行水培或气培,种植能够快速生长且营养价值高的作物,如蔬菜、藻类或真菌。
生物循环系统: 模拟小型的生态系统,将废弃物转化为资源,实现能源和物质的循环利用。

3. 高纬度或极地地区: 一些科学家推测,在核战争发生前就已极寒地区的人类,可能相对更容易适应一部分温度下降。但这并非绝对优势,因为他们同样面临阳光缺失和粮食问题。

4. 幸存者群体与知识的传承: 即使少数人能够依靠技术和资源生存下来,他们的生存也取决于能否形成稳定的社群,并传承下去关键的知识和技能。这包括农业技术、工程维护、医疗知识,以及社会组织能力。

结论:

“核冬天”理论是有坚实的科学基础的,它并非空穴来风,而是基于对核武器效应和地球气候系统相互作用的科学推演。但其具体程度和持续时间,依然存在模型不确定性。

如果“核冬天”真的到来,其造成的灾难性后果将是前所未有的。人类文明赖以生存的农业、能源和基础设施将瞬间崩溃。 大规模的人口死亡将是不可避免的,极大多数人将无法幸存。

少数的幸存者可能依靠预先建造的地下庇护所、或者高度发达的封闭式农业技术勉强维系一段时间。但即便如此,他们的生存也将是艰苦卓绝的,他们将面对的是一个被彻底改变、极其恶劣的地球环境,以及对生存资源的高度依赖和稀缺。

所以,与其讨论“核冬天”来临时人类能否存活,不如将重点放在如何尽一切可能避免这样的灾难发生。这才是我们作为地球居民应该深刻反思和付诸行动的根本。因为一旦“核冬天”降临,人类文明的复兴将变得极其渺茫,生存本身也将成为一种近乎奢望的奢侈品。

网友意见

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核冬天的理论有零成科学性,且其描述的最夸张的场景也无法消灭人类。

美国1975年估计全球核大战对整个世界的影响:

  • 每有100亿吨TNT当量的核爆炸,之后20年里每一亿名幸存者会有三万到五万人受到足以造成伤害的照射。这和短期效应是比不了的。1000枚100万吨TNT当量热核武器总计10亿吨TNT当量,对美国发动攻击可以瞬间消灭至少1.5亿美国人,后效应可能进一步杀死90%幸存者。
  • 每有100亿吨TNT当量的核爆炸(其中一半为落地爆),可以炸飞250亿立方米岩石和土壤,向平流层注入大量粉尘与微粒。这注入量约为1883年克拉卡托火山爆发的2倍。这不会造成重大的全球气候变化。
  • 每有100亿吨TNT当量的核爆炸,可以在大气里产生5000万吨一氧化氮。如果这爆炸全部发生在北半球,可以造成北半球臭氧层里30~70%的臭氧被化学分解。这导致的紫外线辐射加强需要至少20年来恢复,北半球中纬度地区40年间的皮肤癌发病率会在目前基础上增加3~30%。这其实也是个萌萌哒的效应,它的基础值很低,而且影响时间还不如地爆本身的辐射落尘污染时间久,人类不会毫无防护地在地表活动。

到了21世纪,核冬天吹不动了之后,论文里的数据也开始变得能看一点了。

印巴核大战送上去5Tg黑炭,可以在4年内降低中国水稻总产量21%,之后6年恢复到降低10%,北中国的水稻产量大幅下降但是东南沿海的水稻产量反而上升。

研究者做担忧状。


在历史上,这样的理论能够发表,有时代的原因:

  • 一方面,卡尔·萨根等科学家希望用这样惊世骇俗的理论吓阻核战争。但美苏核武库并没受其影响。
  • 另一方面,当年古生物学研究显示地球历史上似乎发生过一些大规模的物种灭绝,让人产生联想。

这种东西如果真能到来,说明物理理论有重大的缺陷,那人类可能抬手就能将它驱散,甚至很容易就做出永动机来了。

其实全球核武库峰值当量也不到400亿吨TNT当量,现在全球核武库总当量已经不足60亿吨TNT当量,且许多部分是拆开保存的,并不处于可以起爆的状态。


这点核武器能送上天的黑炭与尘埃的量根本不足以压制全球光合作用,而且大气环流在数个月内就会将其大部分处理掉。核冬天能起的作用,大抵是对抗全球变暖,但它无力阻止全球变暖。

有研究认为,奥陶纪大灭绝的原因之一,安第斯撒哈拉大冰期,威力跟第四纪大冰期差不多。核冬天跟这比起来就是个毛线。

而第四纪大冰期对生物圈造成的影响是什么呢。

带来了名为晚期智人的物种,冰河期的灾厄。

这物种似乎在研究让第四纪冰川永不融化的方法。


不限于此,三四十年前谈论的“地球历史上的五次大灭绝”从现在开始一起来,都没有绝对的把握将人类消灭。巨型热地幔柱喷发是地球的自然活动能在这一阶段产生的最大威力现象,总威力是人类所有核武器总和的若干亿倍,但中生代的非技术生物圈已经能很好地抵抗其影响,白垩纪爆发的热地幔柱喷发,例如翁通爪哇和德干,均未造成大灭绝。甚至有理论认为德干暗色岩降低了小行星撞击带来的伤害。即便在二叠纪大灭绝的年代,陆地动物看起来也没有受到特别大的损害。泥盆纪大灭绝、三叠纪大灭绝则连是否存在都出现了疑问。

以下引自 @天苑四

“大灭绝”(mass extinction) 这个名词最初在80年代和90年代使用时指的都是全球性物种灭绝,严重打击整个生态圈。包括维基百科上都是每次多少陆地海洋生物死亡之类的。然后近十年来的高精度化石地层学越来越质疑所谓大灭绝是否真的发生过。奥陶纪陆地生物保存不好不提。泥盆纪事件里陆地脊椎动物和植物都没有影响。二叠纪陆地脊椎动物和植物也没有明显影响。三叠纪那更没有了。白垩纪是唯一一次陆地脊椎动物受到选择性重创,但植物仍然没有大灭绝。所以,所谓五大灭绝其中两次都称不上大灭绝,而其他三次也仅限于海洋系统。教科书、纪录片式过于夸张的地狱般场景可能是从来没有在陆地上出现过的,相反大部分陆地生物都还滋润。
俄罗斯剖面显示,陆生脊椎动物多样性在PTB根本没有经历过下降。
Permian tetrapod extinction events
就连丽齿兽亚目,大部分都不是在PTB灭绝的,而是在瓜德鲁普统末260Ma灭绝的。剩下苟延残喘的丽齿兽亚目灭绝时间约为253.5Ma,比252Ma海洋灭绝早一百多万年。
sp.lyellcollection.org/
泥盆纪的确是一段背景灭绝速度比其他时期略高,物种新生速度又偏低,所以出现了两千多万年的物种数量下降。两篇关于泥盆纪植物多样性的研究,也完全没有出现灭绝。
Diversity dynamics of Devonian terrestrial palynofloras from China: Regional and global significance
关于二叠纪末植物是否灭绝过可以看去年Nature 上的两篇:
nature.com/articles/s41 nature.com/articles/s41

引用完毕。

以现在这些证据为基础,你可以轻而易举地推导出:

  • 凭人类历史上和现有的核武库,谈制造“核冬天”这样原始级别的垃圾遮光效应去危及人类这样世界性分布·低营养级·有技术的物种,根本是不可能的。
  • 现代人平均营养级2.21,比一般顶级捕食者的5.5低多了。维持人类物种延续不需要多少人口,即使地面上的阳光被未知的力量遮断,也完全可以在有限数量的掩蔽所里搞点化能合成生产者或人工光照下的光合生产者来吃,靠水·风·潮汐·核·化石燃料·新死生物质·挂在平流层顶的光电之类供能培养或在黑暗中让它们自己玩,整点催化剂、适宜浓度的电解质之类帮忙。一些蓝菌在光照下和黑暗中都可以生产有机物,每天都能收获。

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