Invierno nuclear, la devastación medioambiental que, según algunos científicos, probablemente se produciría como consecuencia de los cientos de explosiones nucleares de una guerra nuclear. Los efectos nocivos de la luz, el calor, la explosión y la radiación causados por las explosiones nucleares eran conocidos por los científicos desde hacía mucho tiempo, pero los efectos indirectos de dichas explosiones sobre el medio ambiente permanecieron en gran medida ignorados durante décadas. Sin embargo, en los años 70, varios estudios plantearon que la capa de ozono de la estratosfera que protege a los seres vivos de gran parte de la dañina radiación ultravioleta del Sol podría verse mermada por las grandes cantidades de óxidos de nitrógeno producidas por las explosiones nucleares. Otros estudios especularon con la posibilidad de que las grandes cantidades de polvo lanzadas a la atmósfera por las explosiones nucleares impidieran que la luz solar llegara a la superficie de la Tierra, lo que provocaría un enfriamiento temporal del aire. Los científicos empezaron entonces a tener en cuenta el humo producido por los vastos bosques incendiados por las bolas de fuego nucleares, y en 1983 un ambicioso estudio, conocido como el estudio TTAPS (por las iniciales de los apellidos de sus autores, R.P. Turco, O.B. Toon, T.P. Ackerman, J.B. Pollack y Carl Sagan), tuvo en cuenta el factor crucial del humo y el hollín procedentes de la quema de combustibles petrolíferos y plásticos en las ciudades devastadas por la energía nuclear. (El humo de estos materiales absorbe la luz solar de forma mucho más eficaz que el humo de la quema de madera). El estudio del TTAPS acuñó el término «invierno nuclear», y sus ominosas hipótesis sobre los efectos medioambientales de una guerra nuclear fueron objeto de un intenso estudio por parte de las comunidades científicas estadounidense y soviética.
La causa básica del invierno nuclear, según la hipótesis de los investigadores, serían las numerosas e inmensas bolas de fuego provocadas por la explosión de las cabezas nucleares. Estas bolas de fuego encenderían enormes incendios incontrolados (tormentas de fuego) sobre todas y cada una de las ciudades y bosques que estuvieran a su alcance. Grandes columnas de humo, hollín y polvo serían enviadas al aire desde estos incendios, elevadas por su propio calentamiento a grandes altitudes donde podrían ir a la deriva durante semanas antes de volver a caer o ser arrastradas por la atmósfera hacia el suelo. Varios cientos de millones de toneladas de este humo y hollín serían arrastrados por los fuertes vientos de oeste a este hasta formar un cinturón uniforme de partículas que rodearía el hemisferio norte desde los 30º hasta los 60º de latitud. Estas gruesas nubes negras podrían bloquear toda la luz del Sol, excepto una fracción, durante un período de varias semanas. Como consecuencia, las temperaturas de la superficie se desplomarían durante unas semanas, quizás hasta 11° a 22° C (20° a 40° F). Las condiciones de semioscuridad, heladas mortales y temperaturas bajo cero, combinadas con las altas dosis de radiación de la lluvia radiactiva, interrumpirían la fotosíntesis de las plantas y podrían destruir gran parte de la vegetación y la vida animal de la Tierra. El frío extremo, los altos niveles de radiación y la destrucción generalizada de las infraestructuras industriales, médicas y de transporte, junto con los suministros de alimentos y las cosechas, provocarían una muerte masiva por inanición, exposición y enfermedad. Así, una guerra nuclear podría reducir la población humana de la Tierra a una fracción de su número anterior.
Varios científicos han cuestionado los resultados de los cálculos originales y, aunque una guerra nuclear de este tipo sería sin duda devastadora, el grado de daño a la vida en la Tierra sigue siendo controvertido.