Branduolinė žiema yra teorinė koncepcija, kurią pasiūlė kai kurie mokslo bendruomenės nariai. Jis atsirado 1982 m. kartu su Johnu Birksu ir Paulu Crutzenu. Trumpai tariant, daugybės branduolinių ginklų susprogdinimas gali sukelti dramatiškus pasaulio klimato pokyčius, sukeldamas didžiulį šaltį ir potencialiai rimtų bėdų gyviems organizmams, kurie Žemę vadina namais. Buvo atlikta daugybė tyrimų apie branduolinės žiemos galimybę ir sunku įrodyti, kad tai įvyktų branduolinio karo atveju, tačiau tai vienas iš daugelio argumentų, naudojamų prieš branduolines atakas prieš kitas tautas.
Remiantis teorijomis, branduolinę žiemą sukeltų didžiulis dulkių, dūmų ir kietųjų dalelių debesis, atsirandantis dėl didelio masto detonacijų virš miestų visame pasaulyje. Degant miestams ir aplinkinėms vietovėms, jie galėjo į atmosferą įšvirkšti didžiulius kiekius medžiagos, lėtai blokuodami saulės šviesą. Kadangi saulės šviesa negalėtų pasiekti Žemės, pasaulinė temperatūra smarkiai nukristų, o mūsų galimybės gaminti maistą labai sumažėtų.
Mokslininkai taip pat teigia, kad didelio masto branduolinių ginklų detonacija gali pažeisti ozono sluoksnį. Kadangi žalinga UV spinduliuotė gali prasiskverbti į kietųjų dalelių sluoksnius, žmonėms vis tiek gresia UV poveikis, nepaisant to, kad būtų tamsu ir šalta. Žmonėms kiltų pavojus dėl kritimo. Tai gali derėti su maža maisto gamyba ir kelti grėsmę daugeliui organizmų Žemėje – nuo žmonių iki paukščių.
Daugumoje branduolinės žiemos tyrimų nurodoma, kad norint sukelti tokio masto klimato kaitą, reikės susprogdinti daugybę branduolinių ginklų; kažkas panašaus į pusę žinomų branduolinių įrenginių Žemėje. Taip pat buvo pasiūlyta, kad detonacijos turėtų būti gana arti viena kitos, kad būtų sukurtas pastovus medžiagos srautas, kuris pakiltų į atmosferą. Branduolinė žiema tikriausiai taip pat labiau paveiks šiaurinį pusrutulį, atsižvelgiant į tai, kad čia yra didžioji dalis galimų branduolinių taikinių.
Branduolinės žiemos teorijos kritikai teigė, kad nors galime pastebėti kai kuriuos klimato pokyčius, jie nebūtų tokie dramatiški, kaip siūlo branduolinės žiemos teorija. Šie kritikai teigia, kad kietąsias daleles iš atmosferos pašalintų lietus ir vėjas. Tačiau teorijos šalininkai atkreipė dėmesį, kad didžiuliai ugnikalnių išsiveržimai istoriškai sukėlė klimato kaitą, į atmosferą patekę dūmų ir pelenų srautai, o per Pirmąjį Persijos įlankos karą Kuveite kilusių naftos gaisrų klimato padariniai taip pat patvirtina teoriją. .