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水循環（または水文循環）は、地球の表面、上空、地下のさまざまな貯水池における水の形態の継続的な変化を伴う生物地球化学的循環です。地球上の水の質量は、時間の経過とともにほぼ一定に保たれています。[ 2 ]しかし、氷、淡水、塩水、大気水といった主要な貯水池への水の分配は変動し、気候変数に依存します。水は、さまざまな物理的および化学的プロセスによって、河川から海洋へ、または海洋から大気へなど、ある貯水池から別の貯水池へと移動します。これらの移動、つまりフラックスを促進するプロセスは、蒸発、蒸散、凝縮、降水、昇華、浸透、表面流出、および地下流です。その過程で、水は液体、固体（氷）、蒸気というさまざまな相を経ます。海洋は、世界の蒸発の 86% の発生源であるため、水循環において重要な役割を果たしています。[ 3 ]
水循環は、異なる相間の熱伝達という形でのエネルギー交換によって駆動されます。相変化中に放出または吸収されるエネルギーは、温度変化を引き起こす可能性があります。[ 4 ]水が蒸発によって液体から気体相に変化する際に熱が吸収されます。この熱は蒸発潜熱としても知られています。[ 5 ]逆に、水が固体の氷から凝縮または融解する際には、エネルギーと熱が放出されます。地球規模では、水は海洋循環を介して熱帯から極地へ熱を伝達する上で重要な役割を果たしています。[ 6 ]
水循環の蒸発段階は、液体相に存在する塩やその他の粒子から水分子を分離することで、浄化プロセスとしても機能します。[ 7 ]大気中の凝結段階は、陸地に淡水を補充します。液体の水の流れは、地球全体に鉱物を運びます。また、風化、侵食、堆積のプロセスを通じて、地球の地質学的特徴を再形成します。水循環は、地球上のほとんどの生命と生態系の維持にも不可欠です。
人間の活動は水循環に大きな影響を与えています。森林伐採、都市化、地下水の汲み上げなどの活動は自然景観を変え（土地利用の変化）、すべて水循環に影響を与えます。[ 8 ] : 1153さらに、気候変動は水循環の激化につながっています。研究によると、地球温暖化は降水パターンの変化、異常気象の頻度の増加、降雨のタイミングと強度の変化を引き起こしています。[ 9 ] : 85これらの水循環の変化は、生態系、水の利用可能性、農業、人間社会に影響を与えます。
水循環は太陽から放出されるエネルギーによって成り立っています。このエネルギーはいくつかの方法で実現されますが、その一つが蒸発です。太陽からのエネルギーによって海、湖、小川、川、池などの水が温められ、水は相変化を起こして気体（水蒸気）となり、大気中に上昇します。水が大気中に入る他の二つの方法は、雪や氷が昇華して水蒸気になることと、植物から蒸散され土壌から蒸発する蒸散作用です。
Clouds form because water molecules have a smaller molecular mass than the major gas components of the atmosphere (oxygen, O2; and nitrogen, N2); this smaller molecular mass leads to water having a lower density which drives the water molecules higher up in the atmosphere due to buoyancy. However, as altitude increases, air pressure decreases which causes a drop in temperature. The lower temperature forces the water vapor to go through another phase change, this time it forces it to condense into liquid water droplets which are supported by an updraft; if there is enough of these water droplets over a large area, it is considered a cloud. Condensation of the water vapour closer to the ground level is referred to as fog.
Atmospheric circulation moves water vapor around the globe; cloud particles collide, grow, and fall out of the upper atmospheric layers as precipitation. Some precipitation falls as snow, hail, or sleet, and can accumulate in ice caps and glaciers, which can store frozen water for thousands of years. Most water falls as rain back into the ocean or onto land, where the water flows over the ground as surface runoff. A portion of this runoff enters rivers, with streamflow moving water towards the oceans. Runoff and water emerging from the ground (groundwater) may be stored as freshwater in lakes. Not all runoff flows into rivers; much of it soaks into the ground as infiltration. Some water infiltrates deep into the ground and replenishes aquifers, which can store freshwater for long periods of time. Some infiltration stays close to the land surface and can seep back into surface-water bodies (and the ocean) as groundwater discharge or be taken up by plants and transferred back to the atmosphere as water vapor by transpiration. Some groundwater finds openings in the land surface and emerges as freshwater springs. In river valleys and floodplains, there is often continuous water exchange between surface water and ground water in the hyporheic zone. Over time, the water returns to the ocean, to continue the water cycle.
The ocean plays a key role in the water cycle. The ocean holds "97% of the total water on the planet; 78% of global precipitation occurs over the ocean, and it is the source of 86% of global evaporation".[3]
Important physical processes within the water cycle include (in alphabetical order):
水循環における貯水池の滞留時間とは、水分子がその貯水池に滞在する平均時間のことです（表を参照）。これは、その貯水池の水の平均年齢を示す指標となります。
地下水は、地表から出るまでに 10,000 年以上も地表下に留まることがあります。[ 23 ]特に古い地下水は化石水と呼ばれます。土壌に蓄えられた水は、地球全体に薄く広がっているため、蒸発、蒸散、河川の流れ、または地下水涵養によって容易に失われるため、そこに留まる時間は非常に短いです。蒸発後、大気中での滞留時間は約 9 日で、その後凝結して降水として地上に降り注ぎます。
南極大陸とグリーンランド大陸という主要な氷床は、非常に長い期間氷を貯蔵します。南極大陸の氷は現在から80万年前のものと確実に年代測定されていますが、平均滞留時間はそれよりも短いです。[ 24 ]
水文学では、滞留時間は 2 つの方法で推定できます。[ 25 ] [ 26 ]より一般的な方法は、質量保存の法則(水収支) に基づいており、特定の貯水池の水量はほぼ一定であると仮定します。この方法では、貯水池の体積を、貯水池に出入りする水の速度で割ることによって滞留時間を推定します。概念的には、これは、水が流出しない場合に貯水池が空から満水になるまでの時間 (または水が流入しない場合に貯水池が満水から空になるまでの時間) を計測することと同じです。
地下水の年代測定において、滞留時間を推定する代替手法として、同位体技術の利用が注目を集めている。これは同位体水文学という分野で行われている。
水循環とは、水圏全体における水の移動を促進するプロセスを記述したものです。しかし、実際に循環する水よりも、長期間にわたって「貯蔵」（または「貯水池」）されている水の方がはるかに多いのです。地球上の水の大部分の貯蔵庫は海洋です。世界の水供給量1,386,000,000 km 3 のうち、約 1,338,000,000 km 3が海洋に貯蔵されていると推定されており、これは約 97% に相当します。また、海洋は水循環に入る蒸発水の約 90% を供給していると推定されています。[ 28 ]地球の氷冠、氷河、永久積雪にはさらに 24,064,000 km 3が貯蔵されており、これは地球全体の水量のわずか 1.7% に過ぎません。しかし、この水量は地球上の淡水全体の 68.7% に相当します。[ 29 ]
人間の活動は、地域レベルまたは地方レベルで水循環を変化させる可能性がある。これは、土地利用と土地被覆の変化によって起こる。このような変化は、「降水量、蒸発量、洪水、地下水、およびさまざまな用途における淡水の利用可能性」に影響を与える。[ 8 ]： 1153
一般的な土地利用の変化の例としては、都市化、農業の拡大、森林伐採などが挙げられる。これらの変化は土壌の圧縮や不透水性表面の増加を引き起こし、土壌の浸透能力を低下させ、表面流出率の上昇につながる可能性がある。[ 30 ]森林伐採は局地的および地域的な影響を及ぼす。局地レベルでは土壌水分、蒸発、降雨量、降雪量を減少させ、地域レベルでは降雨パターンに影響を与える気温変化を引き起こす可能性がある。[ 8 ]： 1153
ダム、雨水排水路、下水管などの水管理構造物も、地域の水文条件を変化させる可能性があります。ダムは自然な流量を変化させ、水質を低下させ、水生生物の生息地の喪失につながる可能性があります。[ 31 ]雨水排水路は、流出率を低下させ、流量を調整し、地下水の涵養を増加させる機能があります。[ 32 ]下水管からの漏水は、地下水の涵養に人為的に寄与し、河川の基底流量の増加と地下水汚染につながる可能性があります。[ 33 ]しかし、地下水は都市、産業、農業の水需要を満たすために持続不可能な速度で汲み上げられているため、地下水の枯渇は継続的な懸念事項となっています。[ 34 ]
20世紀半ば以降、人為的な気候変動により、地球規模の水循環に目に見える変化が生じています。[ 9 ] : 85 2021年のIPCC第6次評価報告書では、これらの変化は地球規模および地域レベルで著しく拡大し続けると予測されています。[ 9 ] : 85これらの知見は、 2007年のIPCC第5次評価報告書および気候変動に関する政府間パネルによるその他の特別報告書で表明された科学的コンセンサスの継続であり、水循環は21世紀を通じてさらに激化すると既に述べていました。[ 8 ]
気候変動が水循環に及ぼす影響は深刻で、水循環（水文循環とも呼ばれる）の強化または増大として説明されています。 [ 36 ]： 1079この影響は少なくとも1980年以降観測されています。 [ 36 ]： 1079一例として、豪雨現象がさらに強くなることが挙げられます。気候変動が水循環に及ぼす影響は、淡水資源の利用可能性だけでなく、海洋、氷床、大気、土壌水分などの他の貯水池にも重要な悪影響を及ぼします。水循環は地球上の生命にとって不可欠であり、地球規模の気候システムと海洋循環において大きな役割を果たしています。地球温暖化は、さまざまな理由から水循環の変化を伴うと予想されています。[ 37 ]例えば、温暖化した大気にはより多くの水蒸気が含まれる可能性があり、蒸発と降雨に影響を及ぼします。
水循環の激化の根本原因は、温室効果ガス（GHG）の増加による大気中の温室効果ガスの増加であり、これが温室効果を通じて大気を温暖化させている。[ 37 ]物理学の基本法則によれば、気温が1 ℃上昇すると大気中の飽和水蒸気圧が7%増加する。 [ 38 ]この関係はクラウジウス・クラペイロンの式として知られている。
水循環の強さと時間の経過に伴うその変化は、特に気候変動に伴い、非常に興味深いものです。[ 39 ]水循環とは、ある場所での水分の蒸発が別の場所での降水（雨または雪）につながるシステムです。たとえば、海洋上では常に蒸発量が降水量を上回ります。これにより、大気によって海洋から陸地に水分が運ばれ、陸地では降水量が蒸発散量を上回ります。陸地からの流出水は小川や川に流れ込み、海洋に排出され、地球規模の循環が完了します。[ 39 ]水循環は、地表での蒸発冷却によって潜熱が大気に供給されるため、地球のエネルギー循環の重要な部分であり、大気システムは熱を上方に運ぶ上で主要な役割を果たしています。[ 39 ]
水循環自体が生物地球化学的循環である一方、地球上および地下における水の流れは、他の生物地球化学物質の循環の重要な要素である。[ 40 ]流出水は、侵食された堆積物とリンの陸地から水域への輸送のほぼすべてを担っている。[ 41 ]海洋の塩分濃度は、陸地からの溶存塩の侵食と輸送に由来する。湖沼の人為的富栄養化は、主に肥料として農地に過剰に施用され、その後陸路や河川に運ばれるリンによるものである。流出水と地下水流の両方が、陸地から水域への窒素の輸送に重要な役割を果たしている。[ 42 ]ミシシッピ川の河口にあるデッドゾーンは、農地から運ばれ、河川系を通ってメキシコ湾に流れ込む肥料由来の硝酸塩の結果である。流出水は、侵食された岩石や土壌の輸送を通じて、炭素循環にも関与している。 [ 43 ]
惑星の大気上層部における流体力学的風によって、水素などの軽い化学元素が外気圏の下限である外気圏底まで上昇し、そこでガスが脱出速度に達して他のガス粒子に衝突することなく宇宙空間に放出される。惑星から宇宙空間へのこの種のガスの放出は惑星風として知られている。[ 44 ]下層大気が高温の惑星では、上層大気が湿潤になり、水素の放出が加速される可能性がある。[ 45 ]
古代においては、陸地は水面に浮かんでおり、河川の水の大部分は地中から湧き出ていると考えられていた。この考えは、ホメロス（紀元前800年頃）の作品にも見られる。
ギリシャの詩人ヘシオドスは『仕事と日』 （紀元前700年頃）の中で、水の循環の概念を次のように概説している。「絶えず流れる川から水蒸気が引き出され、嵐によって地上高く持ち上げられ、夕方には雨に変わり、トラキアの北風が厚い雲を巻き込むときには風になることもある。」[ 46 ]
古代近東では、ヘブライ語の学者たちは、川が海に流れ込んでも、海が満ちることはないということに気づいていた。一部の学者は、この時期に水の循環が完全に次の箇所で説明されていたと結論付けている。「風は南に向かい、北に向きを変え、絶えず渦を巻き、風はその巡りに従って再び戻ってくる。すべての川は海に流れ込むが、海は満ちることはない。川が来た所へ、川はそこへ戻っていく」（伝道の書 1:6-7）。[ 47 ]さらに、雲が満ちると、地上に雨を降らせることも観察されていた（伝道の書 11:3）。
紀元前4世紀に成立したヒンドゥー教の叙事詩『ラーマーヤナ』のアディティヤフリダヤム（太陽神への賛歌）の第22節には、太陽が水を温めて雨として降らせると記されている。紀元前500年頃には、ギリシャの学者たちは、川の水の大部分は雨に由来すると考えていた。当時、雨の起源も知られていた。しかし、これらの学者たちは、地中から湧き上がる水が川に大きく寄与しているという考えを維持していた。この考え方の例としては、アナクシマンドロス（紀元前570年）（魚から陸上動物が進化したという説も唱えた[ 48 ]）やコロフォンのクセノファネス（紀元前530年）などが挙げられる[ 49 ] 。戦国時代の中国の学者、例えば紀元前320年の済妮子や紀元前239年の呂氏春秋も、同様の考えを持っていた[ 50 ] 。
水循環が閉じた循環であるという考えは、クラゾメナイのアナクサゴラス（紀元前460年）とアポロニアのディオゲネス（紀元前460年）の著作に見られる。プラトン（紀元前390年）とアリストテレス（紀元前350年）はともに、浸透を水循環の一部として推測した。アリストテレスは著書『気象学』の中で、太陽が地球の水循環に役割を果たしていると正しく仮説を立て、「太陽の働きによって、最も上質で甘い水が毎日上昇し、蒸気に溶けて上層に上昇し、そこで冷気によって再び凝縮して地球に戻る」と書き、雲は冷えて凝縮した水蒸気でできていると信じていた。[ 51 ] [ 52 ]初期のアリストテレスと同様に、東漢の科学者王崇（西暦27～100年）は著書『論衡』の中で地球の水循環を正確に記述したが、同時代の人々からは否定された。[ 53 ]
ルネサンス期までは、降水量だけでは河川の水量を十分に供給できず、完全な水循環には不十分であり、海洋から湧き上がる地下水が河川水の主な供給源であると誤って考えられていた。イングランドのバルトロマイ（1240年）、レオナルド・ダ・ヴィンチ（1500年）、アタナシウス・キルヒャー（1644年）もこの見解を持っていた。
降雨だけで河川の維持に十分であると主張した最初の著述家は、ベルナール・パリシー（西暦1580年）であり、彼はしばしば現代の水循環理論の発見者として認められている。パリシーの理論は、ピエール・ペローによるものとされる研究で1674年まで科学的に検証されなかった。それでもなお、これらの考えは19世紀初頭まで主流の科学では受け入れられなかった。[ 54 ]
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