水循环

美国地质调查局（USGS）制作的地球水循环图解。
水循环 （Water cycle），也称为水文循环（hydrologic cycle，或是hydrological cycle），是种生物地球化学循环，描述水在地球表面、上空、地表之下的持续移动。长期而言，地球上的水质量均维持相当恒定，但以冰、淡水、盐水和大气层中水分等形式分布的状况则会根据各种气候变率与变化而各不相同。水通过蒸发、蒸散、凝结、降水、Infiltration (hydrology)、地表径流和Subsuface flow等物理过程从一种储存状态转移到另一种，例如从河流进入海洋，或从海洋进入大气。在此过程中，水会呈现不同的形态：液体、固体（冰）和汽状。海洋在水循环中具有关键作用，因为全球86%水蒸发量源自海洋。
水循环涉及能量交换，能量交换会导致温度变化。当水蒸发时，会吸收周围环境的能量，而产生冷却作用。当水凝结时会释放能量，让环境变暖。这类热交换会对气候造成影响。
水循环中的蒸发阶段可把水净化，之后以淡水形式沉降，补充地表水和地下水。液态水和冰在移动时会把矿物质输送到全球各地。水还会透过侵蚀作用和沉积作用等重塑地球的地质特征。水循环对于维持地球上大多数生命和生态系统有非常重要的作用。

**描述**
另一水循环图解（2016年制作）
国家航空暨太空总署（NASA）制作，叙述水循环的短片。

**总体过程**
水循环的动力来源是太阳输出的能量。这种能量把海洋中的水加热后以水蒸气形式进入大气中。有些冰和雪会直接升华成水蒸气。蒸发散是透过植物的蒸散作用，及从土壤蒸发而出的水分。水分子H2O的分子量比大气中主要成分 - 氮气 (N2) 和氧气 (O2) 为小，因而有较小的密度。由于这种显著的密度差异，浮力会把潮湿空气往上推升，当抵达一定海拔高度，气压降低，温度下降（参见Gas laws）。较低的温度会导致水蒸气凝结成比空气重的微小液态水滴，除非有上升气流的作用，否则水滴会往下落。水滴在大气中形成大片集中，成为可见的云，而接近地表的微小水滴凝结后则成为雾。
大气环流带着水蒸气在全球流动，云中水滴碰撞、成长，之后以降水的形式从高层大气落下。一些降水则为雪、冰雹或雨夹雪的形式，也会积聚在冰盖和冰河中长达数千年。大多数的水是以雨的形式落到海洋或陆地上，在地表的水会以地表径流形式出现。部分径流进入河流，然后流向海洋。径流和从地下涌出的水（地下水）可以淡水的形式储存在湖泊中。并非所有径流都流入河流，而是大部分经渗透作用进入地表之下。一些水会渗透到地下深处，为含水层做补充，含水层可长期储存淡水。一些渗透水停留在接近地表处，会经地下水排放，回渗进入地表水体（和海洋），或者被植物吸收后，通过蒸散作用，以水蒸气形式进入大气。一些地下水会在地表以泉水的形式涌出。在河谷和河漫滩（也称泛滥平原）上，hyporheic zone的地表水和地下水之间经常发生持续交换。这些水会随着时间演进，再度返回海洋，完成水循环。
海洋在水循环中具有关键的作用。海洋拥有“地球上97%的水、全球78%的降水发生在海洋上，全球蒸发量有86%源自海洋”。

**物理过程**
水的移动及形式变化过程图
水循环过程包含有：
平流:有大量的水在大气中移动。如果没有advection，由海洋蒸发的水就无法沉降到陆地上。所谓大气河流能长距离移动大量水蒸气，是平流作用的一例。
凝结:空气中的水蒸气转变为液态水滴，形成云和雾。
凝华:指的是水蒸气直接变成冰的现象。
蒸发:水从地表或水体受热蒸发，从液态形式转变为气态，而移动到大气中。造成蒸发的能量主要是Solar irradiance。蒸发通常把植物的蒸散作用包含在内，这些作用统称为蒸发散。地球每年蒸发散的水总量估计约为505,000立方公里（121,000立方英里），其中有434,000立方公里（104,000立方英里）源自海洋蒸发。全球水蒸发量中的86%源自海洋。
渗透:水从地表渗透进入地下，变成土壤水分或是地下水。但经最近一项在全球进行水中稳定同位素的研究显示，并非所有土壤水分都会用于地下水补给，或是供植物蒸发散之用。
拦截:这种Interception (water)指的是受到植物叶子拦截，并未落到地面的降水，这些水最终会经蒸发而回到大气中。
渗流:这种渗流指的是水因重力作用，直接垂直往下穿过土壤和岩石的作用。
降水:水蒸气在凝结后沉降到地表。大多数降水是以雨的形式出现，但也包括雪、冰雹、fog drip、霰和雨夹雪。全球每年大约有505,000立方公里（121,000立方英里）的降水，其中有398,000立方公里（95,000立方英里）落在海洋上。每年落在陆地上的降水中有107,000立方公里（26,000立方英里）以水的形式出现，仅有1,000立方公里（240立方英里）是雪的形式。全球降水量有78%发生在海洋上。
径流:水在陆地上有几种移动方式。包括地表径流以及streamflow方式。水在流动途中，可能会渗入地下、蒸发到空气中、或最终进入湖泊或水库中，但也会碰到其间被抽取用于农业或是其他人类用途。
积雪融化:积雪融化后所产生的径流。
升华:水份从固态（雪或冰）不经液体阶段，直接转变为水蒸气。
地下水流:指的是地下渗流带和含水层中的水流，可能会返回地表（例如涌泉或受到抽取），或最终渗入海洋。水分受到重力或是重力产生的压力，会返回比其渗透处更低的地表。地下水流通常移动缓慢，同时也补充缓慢，因此可在含水层中留存达数千年之久。
蒸发散:水蒸气从植物和土壤中释放，进入大气。

**停留时间**
在水文循环中，所谓水分residence time是水分子在该储存处（水库）中平均的停留时间。这是种对水在储存处平均停留时间的衡量方式。
地下水可在地表之下停留一万多年后才离开。储存特别久的地下水被称为古地下水。储存在土壤中的水分所停留的时间甚短，因为其分布广阔，但深度不足，很容易因蒸发、蒸发散、进入溪流或进行地下水补给而流失。蒸发的水蒸气在大气中停留时间约为9天，然后凝结成降水而重回地球。
地球的主要冰盖 - 南极洲和格陵兰岛 - 储存冰的时间极长。依据可靠的科学方法，可确定南极洲最古老的冰可追溯到距今80万年之前，但平均停留时间并没那么长。
在水文学中，停留时间通常是利用储存地点的水体积（假设给定储存处中的水量大致恒定，即质量守恒）除以水进入或离开的速率来估计停留时间。从概念上讲，这相当于假设没有水离开时，储存处从空到充满需要多长时间（或者如果没有水进入，储存处从满到完全流光需要多久时间）。
另一种估计停留时间的方法是测量水中的同位素，这种方法越来越受普遍采用。此为一种isotope hydrology领域的技术。

**储存中的水**
水循环描述的是驱动水在整个水圈中移动的过程。但实际情况是地球上长期“储存”的水量远多于循环移动的水量。地球上绝大多数水的储藏所在是海洋。估计全球13.86亿立方公里的供水量中，约有13.38亿立方公里储存在海洋中（约占97%）。估计进入水循环的蒸发水约有90%由海洋提供。地球的冰盖、冰河和永久积雪另外又储存2,406.4万立方公里的水，仅占地球总水量的1.7%。但此处拥有的淡水占地球上所有淡水总量的68.7%。

**人类造成的改变**

**气候变化将水循环加剧**
全球变暖会逐渐导致极端天气事件更频繁发生。Figure SPM.6
The sixth IPCC Assessment Report预估平均土壤水分的改变会对全球农业及生态系统造成损害。 如果一地的土壤水分降低一标准差后，其干燥程度将会与1850-1900年期间排名第九干旱的年份相当。
从20世纪中叶起，人为造成的气候变化导致全球水循环发生显著的变化。85 IPCC第六次评估报告中由第一工作组于2021年发布的报告，预测这些变化将在全球和地区之内持续显著增长。85这些发现是2007年发表的IPCC第五次评估报告和政府间气候变化专门委员会（IPCC）所发表其他特别报告中取得科学共识后的延续，这些报告均指出水循环将在整个21世纪中持续“增强” 。
全球冰河退缩也反映出水循环发生变化的情况，降水提供给冰河的水量无法跟上由融化和升华造成的损失。全球自1850年以来因全球变暖，各处冰河均大幅退却。1273
impervious surfaces增加会导致地表迳流增加。

**其他人类活动引起的变化**
issn=1752-0894
人类活动中除温室气体排放会影响水循环外，别的活动也会造成影响。 IPCC第六次评估报告指出，“大量证据显示土地利用改变（如由land development和改变land cover所产生的变化）会影响降水、蒸发、洪水、地下水以及各种用途的淡水供应，而把全球、区域和当地的水循环改变” ”。1153
土地利用变化的案例包括有把农田转变为城市，或是砍伐森林。这种变化会影响土壤吸收地表水的能力。森林砍伐还会“直接减少局部土壤湿度、蒸发和降雨量，也会造成区域气温变化，而影响降水模式”。1153在含水层抽水，或超额抽水以及取用古地下水会把水圈中的总体水量增加，这类“原来储存在地下的水，如今因直接接触到大气，而被蒸发”。1153

**相关流程**

**生物地球化学循环**
水循环本身就是生物地球化学循环，而在地球表面上方和地下的水流是生物地球化学循环组成中的关键成分。所有陆地上的侵蚀沉积物和磷几乎全由迳流输送进入水体。海洋中的盐度就是陆地上的盐经侵蚀及溶解后迁移而来。湖泊的优氧化主要是由于农田施肥过量，其中的磷经迳流及河流携带进入的结果。径流和地下水流在把氮从陆地输送到水体方面具有重要作用。密西西比河出口处的Dead zone (ecology)是化肥中的硝酸盐从农田中被水携带，沿着河流系统进入墨西哥湾的结果。径流也在碳循环中发挥作用，同样是通过运送侵蚀岩石和土壤的结果。

**在漫长地质年代中的逸失**
地球大气层上部的流体动力风让氢等较轻化学元素向上移动到thermopause（即散逸层的下限），当达到逃逸速度后，会在不影响其他气体颗粒的情况下进入外太空。这种从行星（地球）进入太空的气体逸失被称为大气逸失。具有炎热低层大气的地球会产生潮湿的高层大气，加速氢的逸失。

**世上对此的理解**

**漂浮陆地**
远古时期的人普遍认为陆地漂浮在水面上，而河流的水大部分源自地下。这类信念可在荷马（约公元前800年）的作品中看到。

**希伯来圣经**
古代近东的希伯来语学者观察到，即使河流不停流入大海，大海也不会被添满。有学者认为以下这段话这完整描述此时期对于水循环的概念：“风往南吹，又往北吹，不断来回，走的是循环路线。所有河流均入海，而海未被填满。江河回到其发源处，然后重新再来”（旧约圣经诗歌智慧书《传道书》第四卷1:6-7）。学者们对于《传道书》的撰写日期并没有达成一致的看法，但大多数学者指出是完成于所罗门（大卫王和拔示巴之子）时代，“三千年前，有些人认为是在公元前962–922年间。”人们还观察到当云层满布时，就会有雨水降下（《传道书》11:3）。此外希伯来先知阿摩司在公元前793–740年期间指出：水源自海洋，然后倾倒到陆地上（《阿摩司书》5:8）。
在希伯来圣经《约伯记》（公元前7世纪至2世纪之间完成）中，有段描述水文循环中的降水，“雨水是由水蒸气，先形成云层，再聚成小水滴倾泻而下，大量降落在人身上。”（《约伯记》36：27-28）。

**对降水和渗滤的理解**
古希腊学者大约于公元前500年推测大部分河流中的水可归因于降雨。那时人们也知道雨的起源。但这些学者仍然相信从地底涌出的水是河水的主要来源。这种概念的例子包括有阿那克西曼德（公元前570年）（他也推测陆地动物系由鱼类进化而来（参见演化思想史））和色诺芬尼（公元前530年）。 中国古籍如吕氏春秋（公元前239年）以及老子（约公元前四世纪）的道德经中也有类似的想法。
把水循环当作一个封闭循环的想法可在阿那克萨哥拉（公元前460年）和阿波罗尼亚的第欧根尼（公元前460年）的著作中找到。柏拉图（公元前390年）和亚里斯多德（公元前350年）都推测渗滤是水循环中的一道过程。亚里斯多德在其著作《天象论》正确假设太阳在地球的水循环中发挥作用，他写道：“通过太阳的作用，每天最优质、最甜的水会形成蒸气，并上升到上部区域，然后再次被低温凝结，而返回地球。”，他相信云是由冷却和凝结的水蒸气所组成。
直到文艺复兴时期，人们仍有错误的想法，认为仅靠降水将不足以供应河流来完成水循环，而从海洋涌出的地下水是河水的主要来源。Bartholomaeus Anglicus（公元1240年）、李奥纳多·达文西（公元1500年）和阿塔纳奇欧斯·基尔学（公元1644年）也抱持这种观点。

**正确水循环理论**
（公元1580年）是首位断言仅靠降雨就足以支持河流存在的思想家，他经常被认为是现代水循环理论的“发现者”。帕利西的理论直到1674年才得到科学检验，这项研究通常被认为是由法国科学家Pierre Perrault (scientist)所完成。但此信念直到十九世纪初才被主流科学界所接受。

**参见**
 Bioprecipitation- Deep water cycle- 生态水文学- Global meteoric water line- Moisture advection- Moisture recycling- 地球限度理论- 水资源- Biotic pump

**参考文献**

**外部连结**
  The Water Cycle date=20190315144548 , United States Geological Survey-  The Water Cycle for Kids date=20190108223159 , United States Geological Survey-  The Water Cycle: Following The Water date=20160323125433  (NASA Visualization Explorer with videos)
分类:生物地球化学循环
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分类:海洋学