20世纪70年代的若干研究断定，平流层中防止生物受太阳有害紫外线辐射的臭氧层，可能被核爆炸所产生的大量氧化氮耗尽。进一步的研究还推测，核爆炸所产生的大量尘埃漏进大气，可能阻断太阳光照射地球表面，导致空气的暂时冷却，似乎是到了冬天。
1983年一项规模庞大的TTAPS研究（以发起人特科、图恩、阿克曼、波拉克和萨根等姓氏的首字母命名），对核毁坏城市的因素加以考虑，并创造了“核冬天”这个术语，其有关核战争环境效应的先兆性假说，受到美国、苏联科学界的重视并对之作了深入的研究。
根据该假说，核弹头爆炸产生的无数巨大火球为形成核冬天的基本原因。这些火球会引燃无法控制的大火（火风暴），这些大火所扬起的巨大烟尘柱升到高处漂流数周，数亿吨烟和烟灰被强劲的西风吹走，最后，在北纬30°～60°间形成环绕北半球的黑云，它们遮住阳光，结果使地面温度骤降11°～22°，这样，黑暗、寒冷与高辐射结合起来，将阻碍植物的光合作用而毁灭地球上的动物、植物，由此引起的饥荒、无衣、无住和疾病，导致大量死亡而使地球人口剧减。