什么是水循环？

什么是水循环？回答这个问题非常容易 ---水循环通常也被称为"水分循环"或"水文循环"，是指水在地球上、地球中以及地球上空的存在及运动情况。地球的水处于不停地运动中，并且不停地变换着存在形式，从液体变成水蒸气再变成冰，然后再循环往复。水循环已经持续了几十亿年，地球上的所有生命都依赖于水循环。如果没有水循环，地球将会是一个毫无生气的地方。

水循环的概述

水循环没有起点，但是海洋是一个开始水循环的好地方。太阳驱动着整个水循环，首先使海洋里的水升温，一部分水变成水蒸气，蒸发到空气中。淡水湖和江河中同样也存在着蒸发现象。在陆地上，从植物和土地上蒸腾的水分同样也变成水蒸气，蒸发到空气中。空气中少量的水来自于升华，也就是由冰和雪直接蒸发变成水蒸气，完全省略了融化过程。上升的气流将水蒸气带到大气层中，在大气层中由于温度较低，水蒸气又凝结后变成云。

气流驱使着云围绕地球运动，云颗粒互相碰撞、不断扩大并且变成降水从空中落下。有些水分以雪的形式降落，可堆积变成冰帽和冰川。当春回大地气候变暖时，雪通常会融化，积雪融水沿地面形成融雪径流。虽然大部分降水都回到海洋，但仍有一些降落到了陆地上，由于地心引力，沿地表流动形成地表径流。

一些地表径流汇入江河，并且作为河川水流进入大海，还有一些在江河湖泊中积聚为淡水。但是，并不是所有的径流都汇入了地表水体。有很多都浸入了地面（渗透）。有些水渗透到深层地下，重新补充地下蓄水层（饱和地下岩层），长期以来,含水层便储存了大量的地下淡水资源。

有些地下水滞留在地表，并且能够作为地下水流出，渗流回地表水体（和海洋），有些地表水会碰到地面上的孔缝，变成淡水泉。然而水会随着时间不停地运动，有一些重新回到海洋，"结束"了水循环，但是同时又开始了新一轮的水循环。

  水循环示意图

水循环的组成部分

美国地质调查局（ USGS）将水循环分为 16个部分。

全球的水分布

请找出地球上（中）存在多少水，都位于什么地方.

海洋中的水

海洋是水的储藏库

长期以来，海洋中处于"存储"状态的水远比实际在水循环中运动的水要多得多。世界上 1,386,000,000 立方千米（ 332,500,000 立方英里）的供水总量中，估计约有 1,338,000,000 立方千米（ 321,000,000 立方英里）的水是储存在海洋中，占了约 96.5%。另外，据估计，进入水循环的蒸发水有 90%都来自于海洋。

在温度较寒冷的气候里，冰帽和冰川的形成以及大量的全球水堆积成冰，减少了进入水循环的水量，在温度较高的气候里，相反的情况也成立。在最后一个冰河世纪，冰川覆盖了近三分之一的地球陆地面积，海洋的海平面比现在低大约122米（400英尺）。大约在三百万年以前，当地球开始变暖时，海平面约升高了50米（165英尺）。

运动中的海洋

海洋中存在着洋流，促使大量的水在整个地球上运动。这些运动对水循环和气候都产生了显著的影响。湾流是人们熟知的大西洋中的暖水流，从墨西哥湾流经大西洋，最后流入大不列颠。湾流以每天97千米 （60英里 ）的速度移动，它移动的水量是地球上所有河流中水量的 100倍。湾流来自于温暖的气候，将温度较高的水带到北大西洋，这一过程影响了一些地区的气候，如英格兰西部等。

蒸发是指水从液体变成气体或蒸汽的过程。

蒸发及其发生过程

蒸发是水由液体变成气体或蒸汽的过程。蒸发是水从液体变成大气中的水蒸气再回到水循环中的最基本方式。研究表明，海洋、大海、湖泊及河流通过蒸发为我们的大气层提供了近 90%的水分，剩余的 10%是由植物蒸腾来提供的。

蒸发过程需要热量（热能）。能量可以打开将水分子结合在一起的化学键，这就是为什么水在沸点（100° C , 212° F ）时很容易蒸发，而在冰点时蒸发速度却慢得多。当空气中的相对湿度是 100%，即处于饱和状态时，就不再发生蒸发现象。蒸发需要从周围环境中吸收热量，这就是皮肤上的水蒸发时你会感到凉快的原因。

蒸发和水循环

海洋中的水蒸发是水运动到大气层中的最基本方式。海洋的表面积很大（约占了地球表面积的 70%），因此提供了大面积蒸发的机会。在全球范围内，蒸发的水量与以降水形式回到地球的水量大致相等，不过这也因地理位置的不同而存在较大的差异。海洋中的蒸发现象要比降水更普遍，而在陆地上，降水现象又超过蒸发现象。海洋中蒸发的大部分水都以降水的形式回到海洋中。从海洋中蒸发的水中大约只有 10%运动到了陆地上空，然后以降水的形式降落。水分子一旦蒸发，在空气中的运动大约持续 10天的时间。

蒸散是土地中的水分通过蒸发以及植物中的水分通过蒸腾以气体的形式进入大气层的过程。

虽然蒸散的定义某程度上包含了从湖泊甚至海洋等地表水体的蒸发，然而在本网站上蒸散被定义为地球表面的水进入大气层的过程、地下水位从毛细上升带进行的蒸发以及地下水通过植物的叶子进行的蒸腾。

蒸腾和植物的叶子

蒸腾是指植物中的水分从根部到植物叶子下面的小毛细孔，在这里变成蒸气，被释放到大气中的过程。蒸腾实际上就是水分从植物叶子表面进行的蒸发。据估计，大气层中约有 10%的水分是通过植物的蒸腾来实现的。

植物的蒸腾是一个无形的过程 ----因为水是从叶子表面蒸发的，你看不到叶子的"呼吸"。在植物生长的季节，通过叶子蒸发的水分比其自身的重量要大的多，一棵大橡树每年可蒸腾151,000升 的水（40,000加仑 ）。

影响蒸腾作用的大气因素

植物蒸腾的水量因地理位置和时间的不同而差异很大。蒸腾比率受各种因素的影响。

• 温度：蒸腾比率随着温度的上升而上升，特别是在生长期，当气温逐渐变暖，植物生长活跃的时期。
• 相对湿度：随着植物所在环境相对湿度的增加，植物的蒸腾比率下降。水分在干燥空气中比在饱和空气中更容易蒸发。
• 风和空气运动：植物周围的空气运动加速将会导致较高的蒸腾比率。 .
• 植物的种类：各种植物进行蒸腾的速度各不相同。有些生长在干燥地区的植物，例如仙人掌，比其它植物的蒸腾的水分要少，因此可以保持宝贵的水分。

升华是指雪或冰未经过融化而直接变成水蒸气的过程。

对于我们这些对水循环感兴趣的人来说，升华通常被用来描述冰和雪未先融化成水就直接变成水蒸气的过程。升华是雪在某些气候条件下消失的一种最常见的方式。

想要看到冰发生升华的过程并不容易。要看到升华结果的一种方式就是：在零度以下的气候中在室外晾一件湿衬衫，最后衬衫上的冰不见了。实际上要想看到升华过程的最好方式不是用水，而是用二氧化碳，如图所示。"干冰"是固体，是凝固的二氧化碳，在-78.5 °C (-109.3°F)的温度下升华，直接变成气体。在图片上看到的雾就是冷的二氧化碳气体和在干冰升华时产生的冷湿空气的混合物。

在湿度较低和干燥的空气等气候条件下更容易发生升华现象。在气压较低的高海拔地区也容易发生升华，另外还需要能量，例如强烈的日照。如果让我在地球上选择一个最容易发生升华的地方，我可能会选择珠穆朗玛峰的南侧。温度较低、风力较大、日照强烈、气压很低—这些都是发生升华所需的条件。

在大气层中水的储存形式是蒸气、云和湿气

大气层中充满了水。

虽然大气层中可能并不能储存太多的水，但它却是使水在地球上运动的"高速公路"。大气层中始终都有水。云是大气层中的水最可见的形式，但是即使是最清晰的空气中也含有水分 ----只是含的水分子太小了，肉眼看不到而已。在任何时间大气层中含的水量大约是 12,900 立方千米（ 3,100立方英里）。如果大气层中所有的水都一次性以降雨的形式降落到地面，那么整个地面将会被约2.5厘米，大约1英寸深的雨水所覆盖 。

冷凝：水从气体变成液体的过程

冷凝是水蒸气变成液体水的过程。冷凝对于水循环来说非常重要，因为它会形成云。云产生降水，这是水回到地球的主要方式。冷凝是蒸发的反向过程。

冷凝还使水变成雾，当你在较热的潮湿天气时从较冷的地方到室外去，你的眼镜上会生成雾、你的饮料瓶外面会有水滴，并且在较冷的天气中你家的窗户里面也会有水，这些都是冷凝所致。

空气中的冷凝

即使在清澈无云的蓝天中，水仍然以蒸气和小水滴的形式存在。水分子结合空气中的灰尘、盐和烟的微小颗粒，形成云滴，小云滴不断地增加，并最终发展为云。随着小云滴互相结合并且不断增大，云也在不断地发展，并最终产生降水。

云在大气层中之所以能形成，是因为含有水蒸气的空气不断上升并冷却。太阳使地球表面的气温升高，使得空气变得更轻，升到湿度较低的高处。当空气变冷时，就会发生更多的冷凝现象，然后云不断地形成。

降水：水分从云中释放出来

降水是水分以雨、雨夹雪、雪或冰雹的形式从云中释放的过程。这是大气层中的水分回到地球的主要方式。大部分的降水主要是以雨的形式降落的。

雨滴是怎么形成的？

在空中漂浮的云含有水蒸气和云滴，这些水蒸气和云滴太小了，不能以降水的形式降落，但是却可以形成看得见的云。水不断地蒸发到天空中，并且不断地冷凝。云中大多数冷凝的水不会随降水落下，因为上升的气流会支撑住云。要使降水发生，首先微小的水滴必须冷凝并且结合成又大又重的水滴，以降水的形式从云层中降落。每一个小雨滴中都含有数百万个云滴。

降水率因地理位置和时间的不同而不同

世界各地、每个国家甚至每个城市的降水量都是不一样的，例如：在美国乔治亚州的亚特兰大，夏天的雷阵雨可能在一个地区会产生一英寸或者更多的降雨，而仅在几公里之外的地方可能完全没有下雨。但是，乔治亚州一个月的雨量通常比内华达州的拉斯维加斯一年的雨量还大。世界上平均年降雨量的记录保持者当属夏威夷的怀厄莱阿莱峰，那里每年的平均降雨约为1,140厘米（450英寸），与其形成鲜明对比的是智利的阿里卡，那里曾长达14年没有下过雨。

下图显示了世界各地的平均年降雨量，单位是毫米和英寸。浅绿色的区域被视为"干旱区"。你可能会认为非洲的撒哈拉沙漠是干旱区，但是你是否曾想到格陵兰和南极洲的大部分地区也是沙漠干旱区呢？

冰、冰川和雪中水的储量

全世界的冰帽

在冰、雪和冰川中长期储存的水是全球水循环的一部分。地球上绝大多数的冰块，几乎 90%都在南极洲，而格陵兰的冰帽中只含有全球冰块总量的 10%。在格陵兰，冰帽的平均厚度约为1,500米 （5,000英尺），但是最厚的可达到4,300米 （14,000英尺 ）。

冰和冰川的循环

全球气候在不断地变化，虽然其变化速度通常不容易被人觉察到。过去也曾有过较暖的时期，例如大约 1亿年前的恐龙时代，也有过较寒冷的时间，如大约 20,000 多年前的最后一个冰河世纪。在最后一个冰河世纪，冰和冰川覆盖了北半球的大部分地区。

冰川和冰帽的常识

• 冰川约占所有陆地面积的 10-11% 。
• 如果现在所有的冰川都融化，那么海平面将升高约70米（230英尺 ）。 资料来源：美国国家冰雪数据中心
• 在最后一个冰雪世纪，海平面比现在低122米（400英尺 ），并且冰川覆盖了近三分之一的陆地面积。
• 在最后一个较暖的时期，大约是 125,000 年以前，海平面比现在要高5.5米（18英尺）。大约在三百万年以前，海平面比现在高50米（165英尺）。

融雪径流汇流成溪

在世界各地，融雪径流是水在全球运动过程中的一个主要部分。在春季大部分较冷的气候里，径流和河流流量主要来自融化的雪和冰。除了洪水外，快速雪融也有可能导致滑坡和泥石流。

要想了解融雪是如何影响河流流量的一个很好的方式就是看一下下面的水位曲线图，这个图上显示的是美国加利福尼亚洲 North Fork 大坝的 North Fork America 河四年来的日平均流量。这个图上最大的峰值主要就是由融化的雪导致的。比较一下， 2000年3月最低日平均流量为每秒1,200立方英尺，而在 8月，雪完全融化后，流量就小得多，大约在每秒 55-75立方英尺。

融雪径流在每个季节和每年也都不一样。比较一下， 2000年流量的峰值很高，而 2001年流量就峰值就低得多，看起来 2001年加利福尼亚像是遭遇了大旱。在冬季雪场里储存的水量缺少，使全年其它时间的水量也大大地减少。这对于下游水库中的水量会产生一定的影响，因此也就影响到了灌溉以及人们的生活用水。

地表径流：从土地表面流到河流中的降雨径流。

地表径流是土地上的降雨径流。

许多人可能认为水降到地面上，在地表流动（径流），再流入河流，最后汇入海洋。但实际上这个过程要复杂得多。因为河流既从土地中获取水分，也流失水分到土地中。但是，河流中大部分的水还是直接来自于降雨径流。

通常，一些雨水会渗透到地下，但是，当雨水达到饱和或者是在无法渗透的地面，如柏油路或停车场，就会顺着地势流动形成径流。在下大雨时，你可能会看到有小水流向低处流去。水在流入小河时会沿着地上的沟流淌。这个图片显示了地表径流（这里是指从路上流下来的雨水）进入小溪的过程。在这种情况下，径流流到光秃秃的土地上，将泥沙带到河里（降低了水质）。流入小溪的这种径流又开始了回到海洋的旅程。

正如水循环的所有过程，降水和地表径流之间的交互作用也随时间和地理条件的不同而不同 ,在亚马逊丛林和美国西南的沙漠中类似的暴雨将会产生不同的地表径流方式。地表径流受气候条件和自然地质及地形的影响。落到地面的降水中只有约三分之一流进了溪流，然后回到海洋。剩余的三分之二都蒸发、蒸散到空中，或者渗透为地下水。地表径流也可以被人为地用于各种目的。

河流流量：水在河流中的运动

美国地质调查局（ USGS）通常用"河流流量"指江河、溪流或小溪中的水流量。

河流的重要性

河流不仅对人类很重要，而且对所有的生命都很重要。河流不仅仅是人们（及他们的狗）玩耍的好地方，而且人们还利用河水来提供饮用水和灌溉水，并用来发电、冲洗脏物（希望是处理过的废水）、运输货物并获取食物。河流对所有种类的植物和动物都很重要。河流通过河床向下游泄水，从而有助于地下的含水层中保持充分的水量。当然了，海洋中之所以充满水，也是因为河流汇入了大海。

流域和河流

当提到河流时，先要考虑一下河流的分水岭，这一点非常重要。什么是分水岭？如果你现在正站在地上，请往下看。你站着，其他所有人在一个分水岭上也都站着。分水岭就是一块高地，从这块高地上流下的水都会流到一个地方去。分水岭可以很小，只有泥巴中的脚印那么大，也可以很大，能覆盖流入密西西比河所有水流经的陆地，这些水最后汇入墨西哥湾。较小的分水岭被包含在较大的分水岭中。分水岭非常重要，因为河流的流量和水质都会受到分水岭上各种因素的影响，无论是人为因素还是其它因素。

河流流量不断地在变化

河流流量每天每分钟都在不停地变化。当然，河流流量的主要影响是分水岭的降雨径流。降雨会使河水上涨，如果在离分水岭很远的地方降雨，河流水位也会上涨 ----要记得流到分水岭中的大部分水最后都通过径流排出。河流的大小取决于其分水岭的大小。大河流有大的分水岭，小河流有小的分水岭。同样地，大小不一的江河对暴雨和降雨的反应也各不相同。大河流的水位上升和下降的比小河流的慢。在小分水岭中，河流的涨落可能只要几分钟或几小时，而大河流涨落一次则要花几天的时间，洪水可能会持续数天。

淡水储量：存在于地球表面的淡水

水循环中对地球上的生命明显发挥作用的就是存在于地表的淡水。地表水包括溪流、池塘、湖泊、水库（人工湖）以及淡水湿地。

由于不停地流入流出，江河湖泊中的水量在不断地变化。流入是来自于降水、地表径流、地下水渗漏以及支流流入。江河湖泊的流出包括蒸发和对地下水的注入。人类还利用地表水来满足他们的需求。地表水的水量和位置都在随着时间和空间不断地变化，无论是自然引起的还是人为引起的。

地表水保持生命的不断延续

正如埃及尼罗河三角洲的卫星图显示的，如果有地表水（或者地下水）供应，即使是在沙漠中生命也可以很旺盛。地表面的水真的可以维持生命。由于地表水向地下含水层的运动，才有地下水的存在。你可能认为生活在咸水海洋中的鱼不受淡水的影响，但是如果没有淡水向海洋中补给，那么海洋最后也会蒸发，而海水变得越来越咸，即使是鱼也不能在里面生存。

在地球表面，淡水相对稀少。地球上只有大约 3%的水是淡水，而淡水湖和淡水沼泽只占了地球上淡水的 0.29%。世界上 20%的淡水都集中于一个湖中，那就是亚洲的贝加尔湖。还有20%储存于美国的大湖（休伦湖、密歇根湖和苏必利尔湖）。江河只占有全世界淡水总量的约0.006%。由此你可以看出地球上的生命只依赖于地球总供水量的"沧海一栗"。

渗透：水从陆地表面向地表下的土地和岩石运动的过程。

地下水的运动是随降水开始的

在世界上的任何地方，以雨和雪的形式降落到地面的水中都会有一部分渗透到地下的土地和岩石中。渗透的多少取决于多种因素。落到格陵兰冰帽上的降水渗透量就很小，而像这个"消失在美国乔治亚洲的洞穴内的溪流"内的图片显示的一样，溪流可以直接消失到地下水中。

一些渗透水将保留在较浅的土层，它也可能渗透到河岸而汇入溪流。有些水可能渗透地比较深，再次补充了地下的含水层。如果含水层的渗透性较强，可以使水轻松地穿过，那么人们就可以挖井取水用于各种用途。水在回到地表或者渗透到溪流和海洋等其它水体之前，可能会流经很长的距离或者长期储存在地下水中。

地下水

随着降水渗透到地下土层中，它通常形成一个饱和带和一个非饱和带。在非饱和带中，有一些水存在于地下岩石的孔隙上，但是地面是非饱和的。非饱和带的上半部分是土层带。土层带中有一些作物根系产生的空间，可以使降水渗透进来。该土层带的水可以被作物利用。在非饱和带的下面是饱和带，在这里水可以完全填充到岩石和土壤颗粒之间的空隙中来。人们通常打井时就挖到这一饱和带，从中取水。

地下水：长期存在于地球表面以下的水

储存的地下水为水循环的一部分

大量的水都储存在地下。水仍然是流动的，但是流动速度可能很慢，它仍然是水循环的一部分。地下的水大部分是来自于渗透到地表下面的降水。土壤的上层是非饱和带，这里的含水量随时都在发生着变化，但是不会使土壤饱和。这一层的下面就是饱和带，在这里、岩石之间的所有气孔、裂缝和空间都会充满水，达到饱和。人们用"地下水"来描述这一带。大量的地下水都储存在含水层中，全世界人们的日常生活都依赖于地下水。

要找到水，就要看地下水位

左图显示了在海滩上挖的洞。这是一种很好的方式来说明在地下某一深度水达到饱和这一概念，如果这一深度有很好的渗透性可以保持水分的话。在这个洞中水池的顶部是地下水位，海洋中的波浪就在这个洞的右边，洞中的水位与海洋水位是一样的。当然，由于潮汐的运动，每分钟水位都在发生着变化，随着潮涨潮落，这个洞中的水位也在移动。

从某种方式来讲，这个洞就像是用于取地下水的井。如果这个图片中显示了淡水，人们可能会拿一个桶来取水。实际上，在海滩上，如果你拿一个桶，试图把里面的水都取出，里面的水立刻就会重新注满，因为海滩上的沙地具有良好的渗透性，水很容易流进来。要想取淡水，人们必须要挖足够深的井，才能到达含水层，也许会是几十英尺甚至上千英尺深的井。但是，道理却与海滩上我们挖的洞一样 -----从岩石孔隙充满水的饱和带取水。

地下水排放：水从地下流出的过程

你每天都可以看到你周围的水，如湖水、河水、冰、雨、雪。但是还有大量的水没有被人们看到 ----在地下存在并运动着的水。人们千百年来一直在利用地下水并且今天仍然在利用，大部分都用于饮用和灌溉。地球上的生命依赖地下水就如同依赖地表水一样。

地下水流到地下

降落到地上的降水一部分渗透到了地下变成了地下水。一旦到了地下，有些水就运动到地表附近，并且很快就排放到河床上，但是，由于地心引力，很大一部分继续渗透到地下深层。

如本图表所示，地下水的移动方向和速度取决于地下含水层和不透水层（即很难渗透的密实岩石）的各种特性。在地下运动的水取决于地下岩层的渗透性（即水通过的难易程度）和孔隙率（即物质上的孔隙数量）。如果水可以相对自由地流过岩石，那么地下水就可以在几天时间内运动很长的距离。但是，地下水也可能渗透到较深的含水层，这些水可能需要几千年的时间才到再运动到地表。

泉：地下水在地表排放的地方

什么是泉？

泉是含水层的水达到饱和点时水溢流到地表面的结果。泉有大也有小，小的只有在大雨后才能喷出，而大的则每天可以流出千万加仑的水。

泉可以在任何岩石中形成，但是在石灰岩和白云岩中最为常见，这些岩石很容易产生裂缝并且可以在呈酸性的雨中溶解。当岩石溶解和开裂时，就会形成空间使水流动。如果这种流动是水平方向的，就可以到达地表，最后形成泉。

泉水并不都是清洁的

泉中流出的水通常是清澈的。但是，有些泉水可能是"茶色的"，就象美国科罗拉多的棕色泉一样。它的红颜色是由接触到铁等地下矿物质的地下水而造成的。泉水中颜色较深的水排放可以证明水是从含水层中较大的沟中快速流出的，并没有长时间在岩石上经过长期过滤而消除这些颜色。

温泉

温泉与普通泉水没有什么差别，只是水的温度比较高而已，有时甚至很烫，比如美国怀俄明的黄石国家公园的沸腾的泥温泉。许多温泉都产生在火山喷发活动比较频繁的地区，这些地区的水由于接触了地表下面的热熔岩而温度升高。随着深度的增加，岩石变暖，如果深层的地下水有了一个大的裂缝，可以提供到陆地表面的路径，就会产生温泉。世界各地都会有温泉，并且可以与冰山共存，去问那些快乐的格陵兰人就知道了。

全球水的分布

关于存在于地球上的水的详细说明，请看下面的图表和数据。现你，你已经知道了水循环是用来描述地球上水的运动过程的，所以应该意识到下面的图表代表的就是在某一时间地球上水的存在情况。如果你要追溯到几千年甚至百万年前，这些数字就会大不相同啦！

注意，世界上的总供水量为大约 1,386,000,000 立方千米（ 332,500,000 立方英里），超过 96%都是盐水。并且在全部淡水中，超过 68%锁定在冰和冰川中。剩下的 30%淡水在地下。地表的淡水资源，如江河和湖泊，只占有 93,100 立方千米（ 22,300 立方英里）的淡水，占全部水量的 1/15000 。然而，江河湖泊仍然是每天人们用水的最主要来源。