L'acqua compie un continuo percorso dai mari, all'atmosfera, ai continenti, con scambio diretto o con passaggi di stato, in un ciclo chiuso detto ciclo idrologico o ciclo dell'acqua.
La scienza che studia il ciclo dell'acqua è l'idrologia.
Il ciclo idrologico comprende due fasi: la prima va dagli oceani ai continenti e il ciclo è messo in moto dall'energia del Sole; una seconda fase va in verso contrario, cioè dai continenti agli oceani, ed è dovuta alla forza di gravità. Se non esistesse un meccanismo specifico di sollevamento dell'acqua, questa si concentrerebbe tutta nei bacini oceanici ma, utilizzando una piccola quantità di radiazione solare, il liquido è trasformato in vapore, che è molto più leggero e perciò può sollevarsi fino a raggiungere le zone più alte dei continenti.
Il ciclo comprende i seguenti processi naturali:
- evaporazione,
- condensazione,
- precipitazione,
- scorrimento,
- assorbimento,
- raccolta.
Esaminiamoli in dettaglio.
Il calore del Sole provoca l'evaporazione dell'acqua liquida presente negli oceani e in misura inferiore sui continenti. La maggior parte del vapore d'acqua viene prodotto alle basse e medie latitudini, dove l'irraggiamento solare è più intenso; una quantità minore di vapore proviene dalle acque dei fiumi, dei laghi e del sottosuolo.
L'acqua è liberata nell'atmosfera anche dalle piante, attraverso il processo della traspirazione, soprattutto nelle grandi foreste equatoriali. L'insieme dei due processi è detto evapotraspirazione.
Una quantità minima di vapor d'acqua, infine, è prodotta per sublimazione dalle nevi e dai ghiacci.
Il vapor d'acqua prodotto dall'evapotraspirazione condensa in minute goccioline o aghi di ghiaccio formando le nuvole, dove viene immagazzinata una grande quantità d'acqua allo stato liquido.
Le masse d'aria si spostano in continuazione, distribuendo le nubi direttamente sui mari e poi sui continenti.
Le goccioline d'acqua o ghiaccio, formate attorno a nuclei di condensazione (particelle di varia natura), non rimangono sospese all'infinito ma cadono sui continenti o direttamente negli oceani sotto forma di precipitazioni: pioggia, neve, grandine, nebbia, brina, galaverna.
Le acque di precipitazione nelle terre emerse, dette anche acque meteoriche, possono seguire diversi percorsi.
- In parte scorrono in superficie (10%), prima con il ruscellamento, poi nei corsi d'acqua che trasportano le acque verso i bacini marini e oceanici, mentre una parte sosta per un certo tempo nei bacini lacustri. Questo movimento si chiama deflusso superficiale.
- In parte penetrano nel suolo (20%) per infiltrazione attraverso i pori e le fratture degli strati rocciosi fino a che non trovano uno strato impermeabile (deflusso profondo). Si formano così le falde acquifere, riserve sotterranee di acqua dolce. Le acque delle falde restano nel sottosuolo per tempi molto lunghi, ma prima o poi riemergono, alimentando sorgenti e fiumi o sfociando direttamente in mare.
- Una parte (40%) è assorbita dalle radici delle piante e poi restituita all'atmosfera dalla traspirazione.
- Una parte dell'acqua superficiale (30%), infine, che si trova nei laghi, nei fiumi e nei ghiacciai, così come quella presente nel sottosuolo - che lentamente risale per capillarità - evapora, ritornando direttamente nell'atmosfera senza passare per il mare.
I valori indicati possono variare notevolmente in base al clima, alla vegetazione, ecc.
Bilancio idrico
Se consideriamo la situazione globale del nostro pianeta in un arco di tempo di molti anni, complessivamente la quantità di acqua che passa allo stato di vapore è uguale a quella che condensa o sublima, anche se sugli oceani prevale l'evaporazione, mentre sui continenti prevalgono le precipitazioni. L'acqua liquida eccedente nei continenti ritorna agli oceani attraverso il deflusso superficiale e sotterraneo, ristabilendo l'equilibrio. Vediamo, infatti, nella figura, un'eccedenza di 40.000 km3 di acqua sui continenti che, tramite il deflusso superficiale e profondo, ripristina la medesima quantità mancante negli oceani. Il bilancio complessivo del nostro pianeta è perciò in pareggio.
La situazione, però, varia considerevolmente se consideriamo ciò che avviene di anno in anno e nelle singole regioni, in relazione alle condizioni meteorologiche e al clima.
Ci sono, infatti, vaste aree della Terra che perdono più acqua per evaporazione di quella che ricevono dalle precipitazioni, perciò sono tendenzialmente aride, con scarsa presenza di fiumi e acque superficiali.
Altre aree, invece, ricevono più precipitazioni di quelle che disperdono per evaporazione, per cui vi è un'abbondante disponibilità di acqua, che favorisce un'ampia copertura vegetale.
Il tempo impiegato a compiere il ciclo idrologico non è esattamente definibile, perché gli scambi e i passaggi richiedono tempi diversi e poco prevedibili. Per esempio, l'acqua che solidifica nelle calotte glaciali può restare isolata per migliaia di anni prima di tornare allo stato liquido; anche la circolazione profonda è molto lenta e spesso capita che masse d'acqua restino intrappolate all'interno di strati impermeabili per decenni o anche millenni. È molto difficile quindi che l'acqua che alimenta ghiacciai e falde profonde riesca, nel giro di un anno o due, a ritornare nel ciclo. Nell'atmosfera, invece, l'acqua vi resta per un tempo breve, circa 8 - 10 giorni, mentre nei fiumi può rimanervi qualche settimana.