El invierno nuclear es un fenómeno climático que describe la consecuencia del uso indiscriminado de bombas atómicas. Surgió en el contexto de la guerra fría, y predecía un enfriamiento global debido al humo estratosférico, que tendría como consecuencia un colapso de la agricultura y la amenaza de hambrunas para la mayoría de la humanidad.
El proceso seguiría estos pasos: la bomba nuclear levantaría una enorme nube de polvo que estaría en suspensión en la atmósfera durante meses. Esta capa de polvo dificultaría o impediría totalmente el paso de la luz solar, lo cual provocaría la muerte de los seres vivos que realizan la fotosíntesis. Estos seres, los productores, son el eslabón más bajo de la cadena trófica o cadena alimentaria, con lo cual también se extinguirían los demás seres vivos: herbívoros, carnívoros y descomponedores. Además, el ambiente sería irrespirable, por lo que muchos animales morirían directamente, al no poder efectuar la respiración.
La teoría surgió a partir de un estudio de Paul Crutzen y John Birks en 1982, que ya propusieron que los incendios masivos que resultarían de un intercambio nuclear global y el humo que generarían en las capas bajas de la atmósfera tendrían consecuencias notables sobre el clima. Owen B. Toon y Richard P. Turco analizaron las consecuencias del humo en la estratosfera y acuñaron la expresión «invierno nuclear» en 1982, mientras que Vladimir Aleksandrov y Georgiy Stenchikov llevaron a cabo simulaciones sobre modelos más sofisticados en 1983. En parte como consecuencia de estos estudios y otros relacionados a finales de los años 1980, Ronald Reagan y Mijail Gorbachev iniciaron los tratados de desarme nuclear.
En los años 2000 se hicieron una serie de estudios teniendo en cuenta la reducción planeada de armamento nuclear de Estados Unidos y la Unión Soviética (el Tratado de Reducciones de Ofensivas Estratégicas), y comparando las consecuencias de un intercambio dentro del arsenal permitido por ese contexto con un intercambio limitado entre potencias nucleares menores como India y Pakistán.
En el primer caso, supusieron 4400 explosiones nucleares, que corresponderían a 440 megatones, 770 millones de víctimas directas y 180 Tg (teragramos o billones de gramos) de hollín. En el segundo, pequeñas bombas que sumaran 0.75 megatones y 44 millones de víctimas directas producirían 6.6 Tg de hollín.
Según este estudio, aún los intercambios atómicos más modestos serían suficientes para producir efectos del mismo orden que la pequeña edad de hielo o el año sin verano. El estudio también sugería que la alteración de la temperatura de la estratosfera incluso en este caso podía tener consecuencias graves sobre el flujo de gases, y en concreto reducciones considerables en la capa de ozono. El uso del arsenal ruso y estadounidense llevaría a un descenso de la temperatura comparable o posiblemente más acusado que el de una glaciación, quizá durante una década.
Por otro lado, estos nuevos cálculos basados en versiones modernas de modelos climáticos predijeron una vida media del hollín 5 veces más prolongada que la estimada en los años 1980, lo cual contribuiría a agravar y alargar las consecuencias sobre el clima.
