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，必然與那些漂浮着的塵埃相遇，從而一起隨着西風帶環繞地球作周而復始的旋轉，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。

科學家計算，如果在一場核戰爭中使用50億噸以上當量的核武器，不僅將有20多億人成為直接受害者，而且會使世界上的氣候發生重大變化，地面溫度平均下降低至10℃以下，並持續數周以上。最後，地球上的相當一部分生命，包括人類在內，將在一場核大戰中消失。

據歷史記載，1815年4月，印尼的一座火山爆發，噴出數以萬噸計的火山灰，升入高空，懸浮於空氣之中彌月不散，結果使世界上許多地方出現異常的冬天，美國的紐約州竟下了一場六月雪。據科學家考證，大約在六七十萬年以前，一顆小行星突然撞擊地球爆炸，頓時地球上山崩地裂，火焰衝天，煙塵升向高空，遮天蔽日，久而不散，地球處於一片昏暗之中。由於大量煙塵持久地遮擋陽光，使地球氣溫陡然下降，進入了一個漫長而寒冷的冬天，茂密的植被大部枯死，恐龍等生物和動物遭到滅頂之災。

目前，世界上有5萬多個核彈頭，約達200億噸梯恩梯當量的核武器，一旦發生核戰爭，地球上會不會出現類似的核冬天呢？這個問題引起五位美國科學家的注意。他們經過一年半的研究，於1983年10月正式提出“核冬天效應”的理論，從而引起全世界的關注，日本還專門拍攝了《地球凍結》的科幻影片。研究者以美蘇使用核武庫中40％核武器在北半球進行核戰爭為背景建立物理模型，利用公開發表的核武器性能數據建立數學模型，終於得出這樣的推論：在一場50億噸當量的核大戰中，可將9.6億噸微塵和2.25億噸黑煙掀入空中，射向地球的陽光被這些黑煙的微粒吸收而變熱，變熱後的黑煙又產生一股上升氣流，將黑色微粒子推向30公里高的同溫層，使臭氧層遭到破壞。這樣，整個地球就會變成暗無天日的灰色世界，厚厚的煙雲遮蓋着天空，終日不散，陸地再也見不到陽光，白天和夜晚難以區分，氣溫急劇下降，綠色植被枯死，海洋河流凍結，地球生態遭到嚴重破壞，人類生存條件被毀於一旦。這就是核冬天和核冬天效應所帶來的悲慘世界。