A légkörben található vízgőz kicsapódásakor (kondenzáció) felhők keletkeznek. A Napból származó energia felmelegíti a légkört és a hidroszférát, és tulajdonképpen ez a mozgatórugója a víz körforgásának, a hidrológiai ciklusnak. Ez a körforgás a víz mozgását és halmazállapot-változásait jelenti az eltérő vízkészletek, mint az óceánok, légkör gleccserek, folyók, tavak és felszín alatti vízkészlet között. A 159. ábra szemlélteti a víz globális szintű kicserélődését a légkör és a geoszférák között. A 160. ábra bemutatja, mennyi víz tározódik a különböző készletekben, és mennyi áramlik közöttük.

159. ábra A hidrológiai-ciklus és elemei

Az óceánokba a vízfolyásokkal visszajutó víz mennyisége mintegy 40 000 km³ évente (kb. 100 km³ naponta): ez pótolja az óceánfelszínekről történő párolgás és az oda visszahulló csapadékmennyiség közötti deficitet.

160. ábra Az egyes víztározókban tárolt víz mennyisége km³-ben, valamint a víztározók közötti vízáram (fluxus) km³/év mértékegységben

A csapadék többféle formában (eső, hó, jégeső, ónoseső, havaseső stb.) hullhat. Képződéshez a légtömeg lehűlésére és a vízgőztartalmának kicsapódására (kondenzációjára) van szükség. A légkörben található vízgőz lehűlése következtében (vízgőzre nézve) telítetté válik. A légtömeg leggyakrabban akkor hűl le, amikor felemelkedik. A légtömeg felfelé áramlását több tényező is okozhatja: frontok, helyi konvekció vagy domborzati (orografikus) okok. A vízgőztelítettség hőmérsékletfüggő, a hőmérséklet emelkedésével egyre nagyobb vízgőzkoncentráció kell hozzá (161. ábra).

161. ábra A vízgőznyomás értékek vízgőztelítettség valamint 20, 40, 60 és 80%-os relatív páratartalom esetén

A hőmérséklet és a telített vízgőznyomás között exponenciális összefüggés áll fenn. A vízgőz koncentrációja sokféle mértékegységben megadható (pl. g m^-3), a 161. ábra kPa-ban mutatja. A telítettség értéke kiszámolható az ún. Tetens-egyenlettel:

ahol, es(T) az adott T hőmérsékleten mért telített vízgőznyomás kPa-ban, exp a természetes alapú logaritmus alapját (e) jelöli, értéke kerekítve 2,7183, a, b, és c pedig konstansok. Értékük folyadék halmazállapotú víz feletti vízgőz esetén a = 0,611 kPa, b = 17,502, c = 240,97°C. A jég felett létrejövő vízgőz esetében b = 21,87, c = 265,5°C. Az abszolút vízgőznyomás (ea) azonban önmagában keveset jelent. Komfortérzetünket sokkal inkább a relatív páratartalom szabja meg. Ezt %-ban adják meg, és az alábbi egyenlettel számolható ki:

Amikor a levegő vízgőzre nézve eléri az adott hőmérsékleti értéken lehetséges telítettséget, elkezdődik a kicsapódás (kondenzáció) a levegőben lebegő aeroszol részecskékre. Azt a hőmérsékletet, amikor a légtömeg eléri vízgőz telítettségét harmatpontnak nevezzük. Amikor a vízcseppek ütközés vagy a Bergeron-Findeisen-féle átpárolgás következtében (vegyes halmazállapotú felhőben a vízgőzkoncentráció különbsége a jégkristályok és a vízcseppek környezetében, ami vízgőz diffúziót eredményez a jégkristály felé) elég nagyra híznak, nem tudnak ellenállni a levegő felhajtó erejének, „engedelmeskednek” gravitációnak és elkezdenek lefelé hullani. Hirtelen felemelkedés esetén a felhajtó erő nagyon nagy lehet: ekkor a vízcseppek megfagynak, nagy méretűre híznak s az úgynevezett szupercellákban hatalmas jégszemcséket hozhatnak létre, melynek pusztító jégeső lesz az eredménye (162. ábra). A csapadék mennyisége térben nagyon változó. Térbeli eloszlását többek között meghatározza az óceánoktól való távolság, a domborzat, de akár a nagy víztestek is (pl. a Michigan-tó közvetlen környezetében több hó hull, mint a tótól távolabb). Magyarországon a csapadék éves összege általában 500 és 900 mm között ingadozik. A csapadékhullás jellemezhető az intenzitásával is, mértékegysége leggyakrabban mm h^-1. Magyarországon rendszerint nyáron nagyobb csapadékintenzitások mérhetők, mint a téli félévben.

162. ábra Az eddig észlelt legnagyobb, egy Kansas állambeli jégesőből származó jégszemcse makettje (kiállítva: NCAR, Boulder, CO, Egyesült Államok, Gregory Thompson fotója)

A víz körforgása nem csak globális szinten tanulmányozható, hanem kisebb területeken, pl. vízgyűjtőkön is. Egy vízgyűjtő vízmérlegét leggyakrabban az alábbi egyenlettel szokták jellemezni (bár ennek az egyenletnek sok formája létezik):

P±E±ΔS±Q=0

ahol P a csapadék, E a párolgás, ΔS a víztározásban fellépő változás, Q pedig az elfolyás. A vízgyűjtőn is, akárcsak globálisan, lényegében három folyamat zajlik párhuzamosan: párolgás, csapadékhullás és lefolyás. Ez utóbbi folyamatok azonban további részfolyamatokra bonthatók. A párolgás történhet szabad vízfelszínről, ill. a talajról és a növényi szervek felületéről. Ehhez társul még a növények sztómáin keresztül lezajló párologtatás (transpiráció). Mivel a két utóbbi folyamat egymástól nehezen különböztethető meg, ezért együtt szoktunk beszélni róluk, evapotranspiráció néven. Az összes csapadék nem jut le a növényzettel borított talajfelszínre. Az intercepció révén a vízcseppek (vagy hópelyhek) egy része fennmarad a lombozaton. Az intercepció fogalma a lombozat általi vízvisszatartást jelöli. Ez a víz újból elpárologhat és közvetlenül visszajuthat a légkörbe. A lombkorona feletti és a talajt elérő csapadék aránya nagymértékben függ a lombkorona fedettségtől, annak sűrűségétől, ill. attól, hogy milyen fajokból áll a növényzet. Az intercepció aránya nagyban függ az egy csapadékeseményből származó csapadék mennyiségétől is (156. ábra). A növényzetről a víz egy része azonban mégis lejuthat a talajra, pl. a fatörzsek mentén (163. ábra).

A talajra érő csapadék sorsa változatos lehet: beszivárog a talajba, és ott raktározódik, elpárolog, felveszik a növények vagy elfolyik a felszínen. A beszivárgás (infiltráció) sebességét több tényező is befolyásolja, többek között a csapadék intenzitása, a domborzat (lejtőmeredekség), a felszínborítottság jellege, a talajnedvesség tartalma és a talaj szövete (textúrája).

163. ábra(a) Az intercepció mértéke az egy csapadékesemény során lehullott össz-csapadékmennyiség függvényében (b) törzsmenti lefolyás bükkön (Gyenizse Péter felvétele)

A beszivárgás mértékét általában két paraméterrel, a kumulatív beszivárgással (mm) és annak idő szerinti deriváltjával a beszivárgási sebességgel (mm s^-1) szokták jellemezni. A legegyszerűbb empirikus beszivárgási modellek szerint az infiltráció sebessége exponenciális lefutást követ (pl. Kostjakov és Lewis), pontosabban exponenciálisan csökken az idő függvényében. A beszivárgás későbbi szakaszában már csak a gravitáció mozgatja a vizet a nedvességkülönbségből származó mátrixpotenciál különbség már nem:

i = a ∙ t^-b

ahol i a beszivárgási sebesség, t az eltelt idő, a és b pedig tapasztalati úton meghatározott állandók.

A lefolyás a víz horizontális (felszínnel párhuzamos) mozgása a felszínen vagy a felszín alatt. A lefolyás lehet lineáris (barázdás) időszakos vízfolyásonként, vagy lepelszerű. A felszín alatt folyik a köztes lefolyás (interflow vagy throughflow). Az időszakos felszíni és felszín alatti vízfolyások előbb-utóbb eljutnak egy állandó vízfolyásba, majd a végső erózióbázisba. A végső erózióbázis sok esetben a tenger, bár léteznek lefolyástalan területek is, amelyek nincsenek összeköttetésben a világóceánnal (pl. a Dzsungáriai-medence vagy a Holt-tenger). A felszíni elfolyás és a beszivárgás arányát meghatározza a felszínborítás, mely emberi hatásokra jelentősen megváltozhat. A manapság mind gyakoribb városi árvizek okozói a mind nagyobb területeket befedő, vízzáró betonfelszínek, valamint a korábbi árterek nagymértékű leszűkítése (164. ábra).

A talaj egyik alapvető funkciója a víz (pontosabban talajnedvesség) raktározása hosszabb időn keresztül. Így biztosítja a szükséges vizet a növények számára. A talaj a pórusok víztartalma alapján egy alsó, vízzel telített (freatikus vagy kétfázisú) és egy felső, vízzel telítetlen (vadózus vagy háromfázisú) zónára tagolható. A két zóna határán helyezkedik el a talajvíztükör. A vadózus zónában a kapilláris és tapadó erők tartják vissza a vizet, vízfilm formájában. A vízfilmben található vízmolekulák nagyon erősen kötöttek (a vízmolekulák nedvességpotenciálja erősen negatív), ezáltal a növények számára ez vízforma nem felvehető. A vízvisszatartás erőssége és a talajpórusok mérete (sugara) között fordított arányosság létezik. Az összefüggést a Young-Laplace-egyenlet írja le:

ahol ΔP a szükséges szívóerő légköri nyomástól való különbsége (a nedvességpotenciál), γ a felületi feszültség (értéke 20°C-os víz esetében 72.7x10^-3 N/m, α a kontakt szög, r pedig a pórussugár. A pórusokban tárolt úgynevezett pórusszöglet- vagy kapilláris víznek (talajnedvesség) általában az a része vehető fel a növények számára, amely az 5 és 50 mikrométer átmérőjű pórusokban található. Ez a víz közepesen erősen van visszatartva a talajban, itt a negatív nyomás (szívóerő) értéke -33 kPa és -1500 kPa között van. A növénytermesztésben elsőrangú fontosságú, talajban tárolt vizet nevezzük a növények számára felvehető (diszponibilis) víznek. A diszponibilis víz alsó határát (-1500 kPa, de növényfajonként változó) hívjuk hervadáspontnak: ekkor a növényi sejtek egy visszafordíthatatlan (irreverzibilis) folyamaton, a plazmolízisen esnek át és elhalnak, a növény elhervad.

164. ábra A hidrológiai ciklus elemeinek arányváltozása a vízzáró rétegek nagyságának függvényében