当核爆炸时，巨大的能量将大量的烟尘注入大气，有的还高达12公里以上进入平流层。由于核爆炸所产生的烟尘微粒有相当大部分直径小于1微米，它们能在高空停留数天乃至一年以上，因为它们的平均直径小于红外波长(约10微米)，它们对从太阳来的可见光辐射有较强吸收力，而对地面向外的红外光辐射的吸收力较弱，导致高层大气升温，地表温度下降，产生了与温室效应相反的作用，使地表呈现出如严寒冬天般的景观，称为核冬天。过去人们以为核大战仅仅使核爆炸地区造成大量伤亡和破坏，1988年5月23日联合国警告世界，核大战不仅可以直接杀伤数亿人的生命，而且严重地破坏地球气候和生态环境，有的地质学家认为恐龙就是由于宇宙物体撞击地球造成森林大火，碳灰弥漫空中，犹如核爆炸，使地表气温下降，气候恶化，导致恐龙无法适应而灭绝。
核冬天理论的基本观点是，大规模核爆炸掀起的微尘和因大火产生的滚滚浓烟，会长时间遮挡住阳光，造成全球性气候变化，使地球处于黑暗和严寒之中，动植物濒临灭绝，人类生存面临严重威胁。
科学家解释说，当核武器在空中爆炸后，火球一触及地面，就会将地面的上岩石、土块汽化，它们将由随之出现的蘑菇云带上天空。在火球和烟上升的过程中，又会引起周围的空气向爆心的抽吸，进一步将尘埃卷入烟云之中。烟云在被风吹走的过程中，一些较大的尘埃逐渐降至地面，以放射性物质的形式对人和物体造成伤害，而那些微细的尘埃，则将长久地漂浮于空气之中。而光辐射又会在城市和森林中引起大火，大火所产生的滚滚浓烟在上升的过程中，必然与那些漂浮着的尘埃相遇，从而一起随着西风带环绕地球作周而复始的旋转，并不断地向南方方向扩散，最后即形成一个弥漫于整个空间的遮挡层。
科学家计算，如果在一场核战争中使用50亿吨以上当量的核武器，不仅将有20多亿人成为直接受害者，而且会使世界上的气候发生重大变化，地面温度平均下降低至10℃以下，并持续数周以上。最后，地球上的相当一部分生命，包括人类在内，将在一场核大战中消失。
据历史记载，1815年4月，印尼的一座火山爆发，喷出数以万吨计的火山灰，升入高空，悬浮于空气之中弥月不散，结果使世界上许多地方出现异常的冬天，美国的纽约州竟下了一场六月雪。据科学家考证，大约在六七十万年以前，一颗小行星突然撞击地球爆炸，顿时地球上山崩地裂，火焰冲天，烟尘升向高空，遮天蔽日，久而不散，地球处于一片昏暗之中。由于大量烟尘持久地遮挡阳光，使地球气温陡然下降，进入了一个漫长而寒冷的冬天，茂密的植被大部冻死，恐龙等生物和动物遭到灭顶之灾。
目前，世界上有5万多个核弹头，约达200亿吨梯恩梯当量的核武器，一旦发生核战争，地球上会不会出现类似的核冬天呢？这个问题引起五位美国科学家的注意。他们经过一年半的研究，于1983年10月正式提出“核冬天效应”的理论，从而引起全世界的关注，日本还专门拍摄了《地球冻结》的科幻影片。研究者以美苏使用核武库中40％核武器（50亿吨）在北半球进行核战争为背景建立物理模型，利用公开发表的核武器性能数据建立数学模型，终于得出这样的推论：在一场50亿吨当量的核大战中，可将9.6亿吨微尘和2.25亿吨黑烟掀入空中，射向地球的阳光被这些黑烟的微粒吸收而变热，变热后的黑烟又产生一股上升气流，将黑色微粒子推向30公里高的同温层，使臭氧层遭到破坏。这样，整个地球就会变成暗无天日的灰色世界，厚厚的烟云遮盖着天空，终日不散，陆地再也见不到阳光，白天和夜晚难以区分，气温急剧下降，绿色植被冻死，海洋河流冻结，地球生态遭到严重破坏，人类生存条件被毁于一旦。这就是核冬天和核冬天效应所带来的悲惨世界 。
