一场小规模核战争对地球的影响
2020/4/27 22:01:36 大象公会
本文由《Nature 自然科研》授权转载，欢迎访问关注。
原文作者：Alexandra Witze
随着部分拥核国家的地缘政治冲突一再升级，科学家正在模拟核战争对全球的影响。
一切都要从2025年说起。那时，印度和巴基斯坦围绕克什米尔有争议地区的冲突进一步升级。一名恐怖分子偷袭了印度某地，迫使印度派坦克越过印巴边境。为了震慑印方的挑衅，巴方决定引爆几颗小型核炸弹。
2013年，印度试射了可以搭载核弹头的“烈火-5”导弹。来源：Pallava Bagla/Corbis via Getty
翌日，印度也投掷了核炸弹。短短几天里，双方互相轰炸了几十个军事目标，几百座城市，导致数千万人在炮火中丧生。
这可怕的一幕只是个开始。被点燃的城市浓烟滚滚直冲云霄，整个地球笼罩在一片厚厚的烟尘中，太阳光线也无法穿透。地球瞬间陷入极寒。接下来的几年里，从加利福尼亚到中国，粮食作物全部枯萎。全球陷入了大饥荒。
这一可能出现的残酷场景，来自关于核战争对全球气候影响的最新研究。这些成果基于长期以来围绕“核冬天”的研究。所谓“核冬天”，是指大规模核战争后可能会出现的全球大幅降温。大规模核战可能是美国和俄罗斯之间“你来我往”的几千枚炸弹，但小规模核战其实更容易发生，但也会给世界带来毁灭性的灾难。
近日，有研究称一场印巴核战可能会让几十个国家的作物颗粒无收——相当于破坏了10多亿人口的粮食供应[1]。其他研究还显示，核冬天可能会急剧改变海洋的化学组成，大面积摧毁珊瑚礁和其他海洋生态系统[2]。这些结论来自迄今最完整的研究——全面分析了核冲突会如何影响整个地球系统，从海洋到大气，从陆地到海洋生物。
科学家之所以想要搞清楚这些，是因为全球的核威胁正在增加。从朝鲜到伊朗，许多国家都在扩充自己的核能力。而包括美国在内的一些国家，却在削减自己的核武器军控。Seth Baum是位于纽约市的全球灾难风险研究院执行主任，他研究过核冬天的风险，他认为了解核冲突可能带来的环境后果，可以帮助政策制定者对威胁规模做出评估。“用更多细节阐明事情会可怕到哪种地步，可以为决策提供非常重要的指引。”他说。
冷战预测
核冬天的研究兴起于冷战时期，当时，美国和苏联为可能发生的全面进攻储存了几万枚核弹头。震惊于美苏领导人的好战言论，科学家在80年代便开始通过模拟方式来评估核爆除了会造成惨重伤亡外，还会给地球带来哪些影响[3,4]。美国行星科学家和科普作家Carl Sagan等研究人员称，燃烧起来的城市会释放大量烟雾，阻挡阳光照射，让地球上的大部分地区陷入长达几个月的深冻期，包括在夏天[4]。之后的研究对这些预测做出了一些修正，发现冷却效应比预想的轻一点[5]。不过，苏联领导人戈尔巴乔夫依然称核冬天是他努力推动国家削减核武器的一大因素。
1991年苏联解体后，全球的核武器储备量一直在下降。不过，全球各国依然存有成千上万枚核弹头，拥核的国家也越来越多，这让一些研究人员认为，核战争以及核冬天依然是人类面临的威胁。现在，他们已经转而研究比美苏全面开战规模更小的核战争的后果。
1991年7月31日，美国总统乔治·布什和苏联总统戈尔巴乔夫庆祝《削减战略核武器条约》的签署。来源：Peter Turnley/Corbis/VCG via Getty
Brian Toon认为这包括印巴之间可能发生的战争。Toon是科罗拉多大学博尔德分校的大气物理学家，曾是Sagan的学生，从那时起，他就一直从事着核冬天的研究。印度和巴基斯坦各自拥有约150枚核弹头，且都在有争议的克什米尔边界地区重兵部署。去年，发生在此处的一起自杀性爆炸事件炸死了几十名印度士兵。“那里的情况岌岌可危。”Toon说。
印巴两国都在1998年开展过核武器试验，突显出不断升级的地缘政治冲突。2005年左右，Toon模拟研究了两国引爆100枚广岛级原子弹、造成2100万人死亡的场景。他还联络了美国罗格斯大学的大气科学家Alan Robock，后者研究的是火山喷发和核冬天如何以相同的方式冷却地球气候。两位科学家利用前沿的NASA气候模型，计算了燃烧的城市所升起的烟尘会如何笼罩地球。在暗黑阴冷的地球上，农作物产量越来越少。
在该问题上发表了一系列研究结果后，两位科学家与同事遇到了研究经费无以为继的困难。最后，他们在2017年从“开放慈善项目”(Open Philanthropy Project)获得了近300万美元，这是一家位于旧金山的私立组织，专门支持对全球灾难性风险的研究。
我们的目标是把核冬天的每一阶段都分析一遍，从最初的核爆和烟雾扩散，一直到对农业和经济的冲击，“我们首次把这些因素全部整合了起来。”Robock说。
他们的团队分析了多个不同场景。大到动用全球一半以上核武器的美俄战争——可能会向大气释放1.5亿吨烟尘；小到引爆100枚核弹头的印巴冲突——可能会产生500万吨烟尘[6]。烟尘其实是决定核冬天严酷程度的关键因素。在第一个场景下，核爆三年后的全球气温会下降10?°C以上，超过末次冰期；但在第二个场景下，降温幅度只是略高于1?°C。
Toon、Robock和同事利用2017年加拿大不列颠哥伦比亚省大规模山火的观察数据，估算了燃烧的城市会扬起多高的烟雾[7]。山火期间，阳光增加了烟雾的温度，使烟雾冲得更高，在大气中停留的时间也更久，其程度超过了科学家的预期。Robock说，核战争后可能会出现相同的一幕。
Raymond Jeanloz是加州大学伯克利分校的地球物理学家、核武器政策专家，他说整合这些估算数据是理解核冬天的关键一步，“这是检验模型的绝佳方式。”
与大规模山火进行类比，还有助于平息有关潜在影响程度的争议。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)的一支团队称，Robock团队高估了燃烧的城市所产生的烟雾量，以及烟雾会达到的高度[8]。
洛斯阿拉莫斯国家实验室的团队使用自己的模型，模拟了印巴引爆100枚广岛级核弹会产生的环境影响，发现核爆后进入高层大气的烟雾比Toon和Robock报道的要少得多。如果遮蔽天空的烟尘变少了，根据洛斯阿拉莫斯国家实验室团队的计算，对气候的改变也会小很多——核冬天也不会出现。
巴基斯坦伊斯兰堡2005年的一次阅兵，一辆车上装有可搭载一枚核弹头的“沙欣II”远程导弹。来源：Farooq Naeem/AFP via Getty
归根结底，两个团队的结果差异在于他们如何模拟核爆消耗的燃料数量，以及这些燃料如何转化为烟雾。“核武器引爆后的事情非常复杂。”洛斯阿拉莫斯国家实验室团队的带头人、物理学家Jon Reisner说，“我们有能力模拟爆炸源，也能理解整个燃烧过程。我认为我们对可能产生的烟尘数量的估计更为准确。”Reisner也在研究加拿大的那场山火，借此检测他的模型是否能精确计算出燃烧的森林会向大气中释放多少烟雾量。
Robock和同事在期刊回复中也采取了回击[9]。他们指出，洛斯阿拉莫斯国家实验室团队模拟燃烧的是一些绿化更多的地区，而不是一座人口稠密的都市。
漆黑深海
就在双方争执不下的时候，Robock的团队发表了研究结果，报告了核爆炸会产生的一系列影响。
其中包括对海洋的影响，这也是首次对这方面开展分析，团队成员、科罗拉多大学博尔德分校的海洋学家Nicole Lovenduski说。当Toon第一次想找她一起做这个项目时，她说，“我想的是，‘这看起来是个毫无生气的课题。’”但她被研究的潜在前景打动了。她通常研究的是海洋如何在一个逐渐变暖的世界发生改变，而不是一个快速冷却的世界。
Lovenduski和她的同事采用一个前沿气候模型测试了美俄战争的场景。她说：“这是一个锤打场景，你要锤打整个地球系统。”她发现，核战争之后的一到两年，全球变冷会削弱海洋的碳吸收能力，导致它们的pH值飙升。这与当前发生的情况正好相反——目前，海洋不断吸收大气二氧化碳，海水的酸性也持续增加。
她还在研究这对文石的影响。文石是海水中的一种矿物质，海洋生物需要用它生成外壳，保护自己。团队发现，核冲突发生的两到五年后，在漆黑寒冷的海洋里，文石会越来越少，让生物面临生存风险[2]。
模拟显示在珊瑚礁区域，比如太平洋西南部和加勒比海，文石发生的某些变化最大。这说明那些已经受制于气候变暖和海水酸化压力的珊瑚礁生态系统，可能会在核冬天受到极其严重的影响。“海洋系统的这些变化，以前从没有人考虑过。”Lovenduski说。
对海洋的影响还不止这些。罗格斯大学研究生Joshua Coupe说，核战争之后的几年里，“核尼诺”(Nuclear Ni?o)现象会席卷整个太平洋。“核尼诺”是厄尔尼诺的加强版。如果真的发生美俄核战，灰暗的天空会让信风转向，太平洋东部水量增加。就像发生厄尔尼诺一样，干旱和暴雨会侵袭世界的大部分地区，时间可达7年之久，这是Coupe去年12月在美国地球物理学会(American Geophysical Union)会议上的报告。
除了海洋以外，研究团队发现陆地作物和粮食供应也会受到极大的影响。NASA食品安全研究员Jonas J?germeyr利用6个前沿作物模型，评估了农业将如何度过核冬天。他和同事不久前在《美国科学院院报》(PNAS)上发表了他们的研究结果[1]：即使是相对小规模的印巴战争，也会给世界其他地方带来灾难性的后果。在五年时间里，玉米将减产13%，小麦减产11%，大豆减产17%。
受到冲击最大的可能是中纬度地区，包括美国中西部和乌克兰这些粮食主产区。粮食储备会在一到两年内耗尽。J?germeyr表示，大部分国家可能无法从其他地区进口食物，因为这些地区基本也是颗粒无收。他说这是迄今分析核战争后续对粮食供应影响的最详实的一项研究。研究人员没有计算到底有多少人会挨饿，但表示接踵而至的饥荒将打破历史纪录。
明尼苏达大学的食品安全研究员Deepak Ray说，农民可能会改在全球受核冬天影响较少的地区种植玉米、小麦和大豆。这种应变也许有助于缓冲粮食所受的冲击，但只能带来部分缓解。本质上，发动一场动用不到全球1%核武器的战争也会重创地球的粮食供应。
J?germeyr说：“最惊人的发现是，即使是一场小规模核战，也会给全球造成灾难性的影响。”
参考文献：
1.J?germeyr, J. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA https://doi.org/10.1073/pnas.1919049117 (2020).
2.Lovenduski, N. S. et al. Geophys. Res. Lett. 47, 3 (2020).
3.Crutzen, P. J. & Birks, J. W. Ambio 11, 114–125 (1982).
4.Turco, R. P., Toon, O. B., Ackerman, T. P., Pollack, J. B. & Sagan, C. Science 222, 1283–1292 (1983).
5.Schneider, S. H. & Thompson, S. L. Nature 333, 221–227 (1988).
6.Toon, O. B. et al. Sci. Adv. 5, eaay5478 (2019).
7.Yu, P. et al. Science 365, 587–590 (2019).
8.Reisner, J. et al. J. Geophys. Res. Atmos. 123, 2752–2772 (2018).
9.Robock, A., Toon, O. B. & Bardeen, C. G. J. Geophys. Res. Atmos. 124, 12953–12958 (2019).
原文以How a small nuclear war would transform the entire planet 为标题发表在2020年3月16日的《自然》新闻特写版块
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Nature|doi:10.1038/d41586-020-00794-y
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