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核冬天是否只存在于假说中?

图片:geralt / CC0

汪键是个大胖子,核能工程博士在读

核冬天理论出现其实很多年了,最近热播的电视剧庆余年的时代背景还正是起源于 21 世纪的一场核战争产生的核冬天,地球不再适宜人类居住。

其实核冬天理论在很多时候被认为是核恐怖的一部分。我查了一些资料,结合自己的一些专业知识和理解,我对为核冬天这个理论的态度是:

有可能,但是对已有的研究和预测将信将疑。

首先看看核冬天理论的开山之作,1983 年发表于《Science》《Nuclear Winter: Global Consequences of Multiple Nuclear Explosions》。

P.Crutzen 和 J.BirKs(1982)在《核战争后的大气:浑沌的正午》一文中指出:多枚核弹爆炸产生的滚滚浓烟,能在长达数周或更长的时间内截断北半球大部分地面的阳光,进而引起半球尺度的气候变化。他俩首次论证了这种重大环境影响,但尚不曾将此次现象上升到出现核冬天的程度。

此后,美国的 R.P.Turco, O.B.Toon, T.P.Ackerrman, D.Pollack 和 C.Sagan 研究小组,简称 TTAPS 小组(1983,1984)全面系统地研究了大规模核战争的气候后果问题,相继发表了《大量核爆炸造成的全球性后果》和《核战争后的气候后果》两篇文章。核冬天的问题就此被提出来。核冬天理论也是由上述五位学者正式提出来的。

认为假如在空中有足够多的烟和微尘上升到对流层中上层,并且维持一定的时间,就能使整个地球处于寒冷和黑暗之中。

TTAPS 小组将核战争按照爆炸当量和高度,城市或者郊区的爆炸弹头总数以及其当量分成了 40 类。上表列出了具有代表性的几类。选取 5000 百万吨级为基本型,其烟总量达到了 225 百万吨,不过后来美国国家科学院对相关数据进行了修正,以 6500 百万吨级为基本型,产生烟总量为 180 百万吨。

地面或附近的核爆炸可通过多种机制产生细小颗粒:(i)排放和分解土壤颗粒(ii)蒸发和成核的岩石和岩石,以及(iii)吹散 清除表面的灰尘和烟雾。

核试验数据的分析表明,每兆吨​​炸药产量约有 1 E5 至 6 E5 吨粉尘被保存在稳定的陆地表面起爆云中。 此外,对收集的核爆云中的粉尘样品进行的大小分析表明,亚微米级组分的含量很高。 地表核爆炸在产生细尘方面可能比火山喷发更为强烈。

核火球发出的强光足以点燃大面积的易燃材料。 广岛和长崎的爆炸都引发了大规模的大火。 爆炸造成的严重破坏地区也被大火烧毁。 评估表明,大多数森林和城市发生核爆后,将发生大火。 北半球有= 4 E7 km2 的林地,平均可燃物 2.2 g / cm2。 世界上的城市和郊区面积为= 1.5 E6 km2。 占城市总面积 5%到 10%的中心城市持有 10-40 g / cm2 的可燃材料,而有的居住区也能达到 1-5 g / cm2。

主要的模拟参数:


计算模拟:1、光学厚度

TTAPS 小组根据表中各类核战争的排烟量,用一维辐射 - 对流模型,将烟云高度取 10km,设烟云沿水平方向迅速扩散至各经度,计算得到的半球平均光学厚度τ随着时间变化如下图:

当τ<0.1,认为基本无影响,τ=1 时,应予以考虑影响,τ>2 时,认为有重大影响。

从图中可以看出,当核爆炸 1-2 周的时间范围内,τ值大都居于 3-6 之间。

在基本型的曲线中,可以看出即便是 1 个月之后,τ值依然在 2 左右,经过 2-3 个月,灰尘在光学效果中占主导地位,因为烟尘在很大程度上被雨水和冲蚀物耗尽。

图中的 1、2、9 和 10 的τ值趋势模拟表明,在 3000 到 10,000 MT 当量之间可能会产生类似的后果。

即使 11、12 和 13 的绝对破坏不那么严重,它们的τ值也可以媲美或超过主要火山喷发的危害。

值得关注的是曲线 14,在针对城市的核攻击中,只需要 100MT 当量既可以产生极为严重的光学后果。

2、地面温度

TTAPS 小组同样计算了核战争后北半球平均的陆地温度随时间的变化。先看结果图:

从图中可以看出,各类核战争引起的温度下降普遍在 3-4 周后会达到最大值,普遍低于 250K(-23℃)。零度以下的低温会持续数个月之久。

这个模拟结果存在着很大的争议,S.L.ThomPson 等人在 1984 和 1986 年利用三维大气环流模式都对其进行了大规模修正,TTAPS 的计算结果没有考虑地理分辨率的因素,同时也是采用的一维计算模型,存在着极大的不合理型。经过三维考虑地理分辨率的模型修正,同时模拟了烟和微尘被风传输和烟颗粒被降水清楚的过程之后,得到了修正后的结果。

由于海洋热容量很大,与表层水迅速混合,夏季会使陆地面积平均降温值减少约 1/2,而冬季因北半球陆地已经非常寒冷,降温值只有上述估算值的 1/10.

七月份核爆炸后 6-10 天,陆地降温月 25℃,四月份降低 11℃。

三、地面太阳辐射量(光照量)

TTAPS 小组模拟计算出的核爆炸后太阳辐射通量随时间的变化情况。

上图中虚线为正常的全球平均静日射。在基本型核战争(5000MT)之后两周或更长的时间,地面太阳的辐射量只有不到正常值的十分之一。

此时的平均亮度甚至低于平常的阴沉天气的亮度(Heavy overcast 箭头值)。而图上的 17 曲线(只考虑微尘)可以看出,北半球有 40 天左右的平均光照达不到植物光合作用所需的最小光照值(Limit of Photosynthesis 箭头值)。而在将近两个月的时间内,平均光照只能够维持植物光合作用所需的最基本值,Compensation point for photosynthesis,光合作用补偿点。

除此之外,大规模核战争排进大气中的烟尘,在最终消除之前,大约 10%-30%会在平流层持续数月,其对太阳辐射的削弱不会造成地面明显降温过程,但是会引起其他的气候变化,霜冻,降水中断等,会严重影响农作物正常生长和恢复。

我个人对核冬天理论的将信将疑是源于以下几点:

1、烟尘数量:核爆产生的大火所引燃的可燃物质的数量,仅仅只能是猜想。一次核战争的烟尘量的范围相当宽泛,在 0.2-6.5 亿吨中间都有可能,没有办法预估到准确的数量,烟尘量在 4000 万吨以内,烟尘吸收阳光的效应就很微弱了。核爆炸产生的烟尘到底有多少,能喷多高,有多少落下来,有多少留在空中,这些在 TTAPS 小组的论文中采用了大量的假设,其理论不能认为是成熟且有效度的。

2、大气上空 4000 米以上就很少有水蒸气的存在了,根本不存在有雨水冲刷烟尘颗粒的机会。再加上太阳热辐射对颗粒运动的影响,自变量参数进一步增多,根本难以预测烟尘在空中的运动表现。

其实我找了文献,大部分都是比较老的文献,在上世纪八九十年代核冬天理论曾经有一段时间比较火热,受到了很多部门和研究人员的关注,近些年来该课题热度下降十分明显。

核冬天应该警惕,但无需成为核恐怖的一部分。

参考文献:

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