水循环

水在一个生物地球化学循环中，不断地在地球表面及地表以下移动，这个循环被称为水循环，通常也称为水文学循环或水文循环。随着时间的推移，地球的水总量基本保持不变。冰、淡水、海水和大气水这几个主要储库之间的水量分配会发生变化，并受气象因素的影响。水在储库之间流动，例如从河流流向海洋，或从海洋流向大气。

这些转变是由地表径流、地下水流、蒸腾、凝结、降水、升华和渗透引起的。水在这个过程中会发生转化，变成液态、固态（冰）和气态。由于海洋是世界蒸发量的86%的来源，它在水循环中起着至关重要的作用。

水循环中的能量交换会引起温度变化。水从周围环境中吸收能量并蒸发，从而冷却大气。当水凝结并释放能量时，周围环境会变暖。这些热量传递会影响气候系统。

蒸发阶段会留下在循环过程中积累的盐和其他固体，从而净化了水。大气凝结阶段在地面上补充了淡水。液态水和冰将矿物质输送到世界各地。此外，水循环还会通过沉积和侵蚀等过程改变地球的地质特征。地球上大多数物种和生态系统都依赖水循环生存。

人类活动对水循环产生了重大影响。由于城市化、森林砍伐和地下水开采等土地利用变化，自然环境正在发生变化，这些都会影响其循环。此外，由于气候变化，水循环变得更加强烈。

实证研究表明，气候变化导致了降水趋势的变化、极端天气事件的发生频率增加以及降雨频率和强度的调整。这些水循环的变化对人类社会、农业、供水和生态系统都产生了影响。

描述

整体过程

太阳释放的能量驱动着水循环。这些能量加热海洋和其他海洋的水。当水蒸发时，水蒸气被释放到大气中。水蒸气会被某些冰和雪立即升华。植物蒸腾和土壤蒸发的水统称为蒸散。与构成大气主要成分的氮气（N2）和氧气（O2）相比，水分子H2O的分子量较低，因此密度较小。

由于密度差异很大，潮湿的空气会因浮力而上升。温度随海拔升高而降低，气压也随之降低（参见气体定律）。由于温度降低，水蒸气凝结成微小的液滴，除非有上升气流支撑，否则会落下。这些液滴比空气重。虽然地面附近的凝结被称为雾，但云是由大量这些液滴在天空广阔区域的聚集而形成的。

水蒸气通过大气环流被输送到世界各地，而降水则是在云粒子碰撞、发展并从高层大气逸出时形成的。一部分降水以雪、冰雹或霰的形式落下，并可能形成冰川和冰盖，这些可以保存冰冻的水数万年。

大部分降水要么以雨水的形式返回海洋，要么落在陆地上，在那里从地表流走。溪流将部分地表径流带入河流，然后被输送到海洋。湖泊可能储存着地表径流和从地下涌出的淡水。并非所有的地表径流都流入河流；很大一部分会渗透到地下。深层地下水会渗入含水层，含水层是淡水的储库，可以储存很长时间。

在地表，一些渗透水停留在近地表，可以被植物吸收并以蒸腾的水蒸气形式返回大气，或者作为地下水排放渗回地表水体（包括海洋）。当地下水通过地表裂缝渗出时，会形成淡水泉。

地表水和地下水在同一水文带（hyporheic zone）经常在河谷和洪泛区不断交换水。水最终会回到海洋，完成水循环。海洋是水循环的重要组成部分。“海洋占地球总水量的97%；世界总降水量的78%发生在海洋上，而世界总蒸发量的86%来源于海洋。”

以下是构成水循环的重要物理过程（按字母顺序排列）

• 平流（Advection）：平流是指水在大气中的流动。平流对于在海洋上蒸发的水在陆地上降水是必需的。大气河流可以被视为平流，它们将大量水蒸气输送到很远的距离。
• 凝结（Condensation）：当大气中的水蒸气转化为液滴时，就会出现雾和云。
• 蒸发（Evaporation）：蒸发是指水从地面或其他水体流向周围大气，从液态转化为气态的过程。太阳辐射是蒸发过程中使用的主要能量来源。尽管它们通常被合称为蒸散，但植物的蒸腾作用也常常被包含在蒸发过程中。每年通过蒸散蒸发掉的水量约为505,000立方千米（121,000立方英里），其中434,000立方千米（104,000立方英里）是通过海洋蒸发损失的。世界蒸发量的86%发生在海洋上。
• 渗透（Infiltration）：渗透是指水从地表进入地下的运动。一旦被吸收，水就会变成地下水或土壤水分。然而，正如一项新的全球使用稳定水同位素进行的研究表明，并非所有土壤水分都能同样容易地被植物蒸腾或用于地下水补给。
• 下渗（Percolation）：当水在重力作用下穿过岩石和土壤时，它会向上移动。
• 降水（Precipitation）：降水是指凝结的水蒸气落到地球表面的现象。除了雨，降水还可能以冰雹、雪、霰、软雹和雾滴等多种形式出现。在每年降水的总量中，约有505,000立方千米（121,000立方英里）降在海洋上（约398,000立方千米（95,000立方英里））。降在陆地上的总水量包括每年约1,000立方千米（240立方英里）的降雪和107,000立方千米（26,000立方英里）的降雨。地球上78%的降水发生在海洋上。
• 径流（Runoff）：水越过地形的各种技术。这包括河道径流和地表径流。除了被人类用于农业和其他目的外，水还可能渗入地下，蒸发到大气中，或积聚在湖泊或水库中。
• 地下水流（Subsurface flow）：水在地表以下的含水层和包气带中移动。进入地表下的水最终可能渗入海洋或返回地表（例如，作为泉水或被抽出）。在重力或重力产生的力的作用下，水会以低于其最初进入时的海拔返回地球表面。由于地下水补给和移动缓慢，含水层可以将地下水保存数千年。
• 蒸腾（Transpiration）：土壤和植物将水蒸气转移到大气中的过程。

停留时间

水分子在其水循环中通常在一个储库中停留的时间称为其停留时间。这表示储库中水的平均年龄。

地下水在消失之前，可以在地表以下停留超过10,000年。化石水特指古老的地下水。由于土壤在地表分布稀疏，并且容易通过蒸发、蒸腾、溪流运动和地下水补给而流失，因此土壤中保存的水停留时间相对较短。大气中水蒸气的蒸发停留时间约为九天，在此期间它会凝结并以降水的形式落回地球。

两个主要的冰盖，格陵兰岛和南极洲，长期储存着冰。尽管平均停留时间较短，但南极冰可以准确地追溯到80万年前。在水文学中有两种方法可以估算停留时间。更受欢迎的方法假设特定储库中的水量近似恒定，并基于质量守恒（水平衡）的概念。

使用这种方法，通过将储库的体积除以水进入或离开储库的速率来计算停留时间。理论上，这相当于测量如果没有任何水进入或离开，储库从空到满所需的时间（或者相反，所需的时间）。

使用同位素方法是另一种估算停留时间的替代方法，这种方法在地下水定年中越来越普遍。这在同位素水文学领域进行。

储存的水

水循环描述了调节水流经水圈的机制。只有一小部分水实际上通过循环流动；大部分水长时间“储存”（或在“储库”中）。海洋是地球最大的储库，储存了地球上大部分的水。大约97%的世界供水，或1,338,000,000立方千米，被认为是储存在海洋中。这相当于1,386,000,000立方千米。

此外，水循环中使用的蒸发水有90%或更多被认为来自海洋。地球的冰盖、冰川和永久积雪储存了额外的24,064,000立方千米的水；这仅占地球总水量的1.7%。尽管如此，这个数量的水占地球淡水的68.7%。

人类引起的变化

局部或区域性影响

人类活动对水循环产生局部和区域性影响。土地利用和土地覆盖的变化是这些影响的原因。这些变化影响“降水、蒸发、洪水、地下水以及各种用途的淡水供应。”

砍伐森林和将农田转变为城市是这些土地利用变化的一些例子。这些变化可能会影响土壤吸收地表水的潜力。森林砍伐会产生局部和区域性的影响。例如，在局部，它会减少降雨、蒸发和土壤湿度。此外，森林砍伐引起的区域温度变化可能会改变降水模式。

超采、含水层抽取和化石水抽取增加了水圈中的总水量。这是因为以前在地下水现在暴露在大气中，并可能通过蒸发蒸发。

气候变化导致的全球水循环强度增加

自20世纪中叶以来，由于人类引起的气候变化，全球水循环发生了明显的变化。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）2021年的第六次评估报告，这些变化将在区域和全球范围内进一步加剧。这与IPCC2007年的第五次评估报告以及政府间气候变化专门委员会先前发布的关于水循环将在21世纪继续增加的预测是一致的，这代表了科学共识。

据报道，水循环（也称为水文学循环）与气候变化之间存在着密切的联系，气候变化对其产生了重大影响。自1980年以来，这种影响就已引起注意。例如，考虑极端降雨事件的加剧。气候变化对水循环的影响对淡水供应和其他水库（包括海洋、冰盖、大气和土壤湿度）的可用性产生了重大的负面影响。

地球上的生命依赖于水循环，水循环对于海洋环流和世界气候系统也至关重要。出于多种原因，预计水循环的变化将伴随着全球变暖。例如，温暖的大气可能含有更高水平的水蒸气，这可能会影响降雨和蒸发。

温室气体浓度的增加，通过温室效应使大气变暖，是水循环加速的根本原因。基本物理学解释说，当温度升高1°C时，大气中的饱和蒸汽压会增加7%。这种关系被称为克劳修斯-克拉佩龙方程。

人们对水循环的活力及其随时间的演变非常感兴趣，尤其是在气候变化的情况下。水分在一个地方蒸发并在另一个地方导致降水（雨或雪）的过程被称为水循环。

例如，在海洋上，蒸发量始终大于降水量。在陆地区域，降水量超过蒸散量，这使得水分能够通过大气从海洋输送。当陆地径流流入河流、溪流和海洋时，全球循环得以完成。

地表蒸发冷却过程为大气提供了潜热，因为大气过程是向上传输热量的主要方式，这使得水循环成为地球能量循环的重要组成部分。

相关主题

生物地球化学循环。

水流过和在地表以下流动，并且是其他生物地球化学物质循环的重要组成部分，尽管水循环本身就是一个生物地球化学循环。磷和侵蚀的沉积物主要通过陆地径流被带入水体。陆地侵蚀和溶解盐的迁移会增加海水的盐度。

过度施用于农田的磷肥随后通过陆路和河流被带走，是导致湖泊人为富营养化的主要原因。在将氮从土壤转移到水体方面，地表径流和地下水运动都非常重要。化肥过量流出农田产生的硝酸盐被认为是导致密西西比河入海口附近出现死亡区的原因，该河通过一系列河流流入墨西哥湾。通过携带侵蚀的岩石和土壤，径流也为碳循环做出了贡献。

地质时期内的缓慢衰减

由于行星高层大气中的流体动力学风，氢等轻化学元素能够向上扩散到外逸层顶（exobase），即外逸层（exosphere）的下界。在那里，气体可以达到逃逸速度，并进入太空而不与其他气体粒子碰撞。行星风是这种从行星向太空的气体损失的术语。潮湿的高层大气可能会加速H2的损失，从而加速行星的逃逸。

历史解释

漂浮大陆

传统上，人们认为河流中的大部分水都源自地球最外层下方，并且陆地被认为漂浮在一个水体之上。荷马（约公元前800年）的作品中包含对这一观点的描绘。

希伯来圣经。

古代希伯来学者注意到，尽管河流流入大海，但大海却永不满溢。“风往南吹，又往北转；它不断地旋转，风又按照它的回路而回归。”这句经文让一些学者认为，当时水循环已经得到了充分的解释。

尽管所有的河流都流入大海，但大海却永不满溢；河流又回到它们原来的源头。尽管大多数学者认为《传道书》写于所罗门王统治时期，他是大卫和拔示巴的儿子，距今“三千年”，但关于《传道书》的确切日期仍有争议。

然而，大多数研究人员认为其历史时期是公元前962-922年。此外，人们还注意到，当云充满时，它们会将雨水释放到陆地上。此外，希伯来先知阿摩司（Amos）说，水起源于大海，并在公元前793年至740年间倾泻到地面上。

在公元前七世纪至二世纪之间写成的《圣经·约伯记》中，降水的水文学循环被描述如下：“他使水滴变小：它们按照其蒸气下雨；云滴落并大量地降在人身上。”

识别下渗和降水

太阳加热水并将其作为雨水降下，这是《罗摩衍那》（Ramayana）中献给太阳神的一首虔诚的赞美诗《Adityahridayam》的第22节所描述的，该史诗写于公元前四世纪。到公元前500年，希腊学者开始推测雨水是河流中水的主要原因。到那时，人们也认识到雨水的来源。

然而，这些学者仍然认为河流受到从土壤中升起的水的很大影响。这种思想的例子有 Xenophanes of Colophon（公元前530年）和 Anaximander（公元前570年），他们都曾提出陆地生物是从鱼类进化而来的。中国战国时期的学者，包括 Lu Shih Ch'un Ch'iu（公元前239年）和 Chi Ni Tzu（公元前320年），也有类似的观点。

Anaxagoras of Clazomenae（公元前460年）和 Diogenes of Apollonia（公元前460年）的理论支持水循环是一个封闭循环的观点。Plato（公元前390年）和 Aristotle（公元前350年）都推测下渗是水循环的一个组成部分。在《气象学》一书中，亚里士多德做出了正确的推测，认为太阳参与了地球的水循环，他写道：“通过它的（太阳的）作用，最细、最甜的水每天都会被向上驱动，并溶解成蒸气，然后上升到高层区域，在那里它又会被寒冷压缩，从而返回到地球。”

他还认为云是由这种冷凝的冰冻水蒸气组成的。与年长的亚里士多德相似，东汉学者王充（公元27-100年）在他的《论衡》中对地球的水循环进行了准确的描述，尽管他的同时代人忽视了他。

文艺复兴时期普遍存在一种误解，即来自海洋的地下水是河流的主要水源，而降水本身不足以维持整个水循环中的河流。这是英格兰的 Bartholomew（公元1240年）、Athanasius Kircher（公元1644年）和 Leonardo da Vinci（公元1550年）的看法。

找到正确的理论

目前的水循环概念是由 Bernard Palissy（公元1580年）发现的，他是第一个有记载的思想家，他声称仅靠降雨就足以维持河流。直到1674年，在通常归功于 Pierre Perrault 的研究中，Palissy 的假设才被正式审查。直到19世纪初，这些理论甚至没有被主流科学考虑过。

结论

水循环，也称为水文学循环，是一个由太阳能驱动的连续过程，它在地球表面和大气中以不同阶段移动和转化水。这个循环对于水在海洋、冰盖和大气等大型储库之间的分布是必不可少的。

它包括蒸发、凝结、降水、渗透和径流等一系列相互作用的过程，以控制地球的温度、净化水并形成地质特征。人类活动对水循环产生了重大影响，同时也改变了降水模式并加剧了天气事件。

这些活动包括城市化、森林砍伐和气候变化。对水循环的理解对于水资源管理、气候变化缓解以及对环境和人类社会的影响至关重要。

常见问题解答

Q1. 蒸发、凝结和降水等水循环活动是如何相互关联的？

简单来说，蒸发是指湖泊、河流和海洋中的水由于太阳的热量从液态转变为气态的过程。当水蒸气上升到空中时，它会冷却并形成微小的液滴，这被称为云。这些液滴聚集在一起，变得足够重，以降水形式返回地球表面，可能表现为雨、雪、冰雹或雪。降水将来自河流、湖泊和含水层的水带回来，当这些水通过地表径流和渗透最终回到海洋时，循环再次开始。

Q2. 地下水如何与地表水相连，它在水文学循环中扮演什么角色？

水文学循环依赖于地下水，地下水储存在地表以下的含水层中。它来自渗入地下并穿过岩层的雨水。地下水通过渗漏和泉水等多种方式与地表水相互作用，进入河流和湖泊。它提供了持续的淡水流，尤其是在干旱年份。人类活动，如过度开采地下水，可能会耗尽淡水供应并扰乱自然水流。

Q3. 气候变化对水文学循环有什么影响？

气候变化对水文学循环有重大影响，因为它改变了蒸发速率，增加了极端天气事件的频率和严重程度，并改变了降水模式。由于气温升高，蒸发速率加快，大气湿度增加，这可能也会加剧风暴和极端降雨事件。

降水模式的变化可能导致一些地区发生灾难性洪水，而在另一些地区则发生长期干旱。这些变化会影响生态系统的健康、农业产量和水的可用性，因此需要采取适应性强的供水管理措施。

Q4. 哪些人类活动对自然水循环的负面影响最大，为什么？

导致水循环中断的主要人类活动包括工业用水、森林砍伐、城市化和农业。城市化导致自然景观被不透水表面取代，从而增加了地表径流并减少了地下水补给。森林砍伐通过降低土壤湿度和蒸腾作用，改变了区域和局地的降水模式。

除了增加携带污染物的径流外，集约化农业通常会导致过度抽取含水层和河流中的水。工业生产有可能改变水流模式并污染水盆。水资源短缺、水质下降、洪水风险增加以及生物多样性下降是这些干扰的结果。

Q5. 矿物质的分布和水的净化是如何从水循环中产生的？

水循环利用蒸发和凝结等自然过程来净化水。水蒸发时，通过去除溶解的颗粒和污染物，产生纯净的水蒸气。这些水蒸气最终会凝结成云并以降水的形式落下，将纯净的水带到地球表面。

此外，水流过岩石和土壤，溶解并携带矿物质到河流、湖泊和海洋，这有助于水循环分配矿物质。这些过程通过形成矿产沉积物和提高土壤肥力，有益于生态系统和人类农业。