碳烟注入平流层将导致地球表面发生变化，这包括接收的太阳辐射量、气温和降水量。

对地球具有保护作用的臭氧层逐渐消失，将导致地表连续数年遭受极高的紫外线辐射，给人体健康和粮食生产带来危害。最新研究表明，全球核战争后的臭氧损失将导致热带紫外线指数超过35，而这种状况将从核战争后三年开始，持续四年。美国环境保护署认为，紫外线指数达到11已构成“极端”危险；在紫外线指数12的环境下暴露15分钟会导致人体未遮盖皮肤被晒伤。在全球，中波紫外线（UV-B）范围内的阳光将平均增加20%。众所周知，高水平的中波紫外线辐射会导致人体晒伤、光老化、皮肤癌和白内障，并抑制叶片伸展和植物生长所需的光解反应。

上升到平流层的烟尘会减少到达地球表面的太阳辐射量，致使全球地表温度大幅降低、降水量明显减少。

如果印巴发生核交火，即便在平流层积聚的碳烟相对较少（5太克），也可能导致地球上出现千年来的最低温度——这比中世纪后小冰河期的温度还低。导致5太克碳烟注入平流层的区域性核战争有可能使全球平均气温下降1摄氏度。

尽管自冷战结束以来，美俄两国核武库的规模和平均当量都有所削减，但双方发生的任何规模的核战争仍可能引发更严酷的核冬天，北半球大部分地区甚至在夏季也会面临低于冰点的温度。导致150太克碳烟注入平流层的全球性核战争有可能使地球温度下降8摄氏度，这比冰河时代还要低3度。

无论是哪一种核战争场景，温度变化都会对中高纬度地区的农业产生重大影响，造成作物生长季节缩短，乃至生长季节期间温度的降低。低于冰点的温度还可能导致海冰和陆地积雪显著增多，造成粮食短缺和航道阻塞，影响到重要港口的货运运输，尤其是对那些尚未受到海冰严重影响的港口来说。

核战争后全球平均降水量也会明显下降，因为到达地表的太阳辐射量减少，导致温度和水分蒸发率降低。热带地区的降水量减幅最大。比如，即使5太克碳烟注入平流层也会导致亚洲季风区降水量减少40%，南美和非洲的降雨量也将大幅下降。