วัฏจักรอุทกวิทยา (hydrological cycle) หมายถึง วัฏจักรการเปลี่ยนแปลงสถานะของน้ำระหว่างของเหลว ของแข็งและก๊าซ ตามสภาพแวดล้อมที่น้ำอาศัยอยู่ ซึ่งการเปลี่ยนแปลงจำแนกได้ 4 รูปแบบ คือ

1) การระเหย

การระเหย (evaporation) คือ การเปลี่ยนสถานะของน้ำบนพื้นผิวโลกไปสู่บรรยากาศ ทั้งในรูปของไอน้ำที่ระเหยจากแหล่งน้ำโดยตรง และ การคายน้ำของพืช (transpiration) โดยในส่วนของการระเหยโดยตรง น้ำจะสามารถระเหยได้ก็ต่อเมื่อความชื้นในบรรยากาศมีค่าน้อยกว่าพื้นผิวน้ำที่จะระเหย ซึ่งกระบวนการระเหยของน้ำให้กลายเป็นไอ ใช้พลังงานมากพอสมควร เช่น การละเหยน้ำ 1 กรัม ต้องใช้พลังงานความร้อนประมาณ 600 แคลอรี่ ซึ่งยิ่งมีพลังงานมากเท่าใด อัตราการระเหยของไอก็จะมากขึ้นเท่านั้น นอกจากนี้ ลมที่พัดในพื้นที่ก็สามารถช่วยเร่งอัตราการระเหยของน้ำได้ด้วยเช่นกัน โดยหากพื้นที่มีลมแรงจะช่วยพัดให้ไอน้ำที่เพิ่งระเหย ย้ายออกไปที่อื่น เอื้อต่อน้ำที่พื้นผิวที่จะระเหยเข้ามาแทนที่ได้มากขึ้น

ในระดับโลก การระเหยของน้ำส่วนใหญ่จะเกิดขึ้นในมหาสมุทรโซนกึ่งเขตร้อน ซึ่งพื้นที่เหล่านี้การแผ่รังสีจากดวงอาทิตย์ในปริมาณสูงกว่าพื้นที่ละติจูดกลางหรือแถบขั้วโลก

การคายน้ำของพืช (transpiration) เป็นการระเหยหรือแพร่ของน้ำออกไปจากพืช แบ่งได้ 3 ประเภท คือ การคายน้ำทางปากใบ ทางผิวใบและการคายน้ำทางเลนทิเซล (lenticel) โดยการคายน้ำจะส่งผลให้เกิดแรงดึงน้ำจากส่วนล่างของลำต้นขึ้นไปสู่ส่วนที่อยู่สูงกว่า ช่วยลดอุณหภูมิที่ใบ

ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการคายน้ำ นอกจากปัจจัยภายในเรื่อง ธรรมชาติของพืชแต่ละชนิดเอง อัตราการคายน้ำของพืชยังขึ้นอยู่กับ ปัจจัยภายนอกหรือสิ่งแวดล้อมด้วย ได้แก่ 1) แสงสว่างมาก จะทำให้ปากใบเปิดกว้างมากขึ้น 2) อุณหภูมิสูง พืชมีอัตราการคายน้ำเพิ่มมากขึ้น ทำให้พืชคายน้ำในช่วงกลางวันมากกว่ากลางคืน 3) ถ้าอากาศภายนอกมีความชื้นสูง อัตราการคายน้ำก็จะต่ำ ในทางตรงกันข้าม ถ้าอากาศภายนอกมีความชื้นต่ำ การคายน้ำก็จะเกิดมากขึ้น 4) ลมช่วยพัดพาไอน้ำที่ระเหยออกจากใบ การคายน้ำใหม่ก็จะทำได้ดีและง่ายขึ้น และ 5) ความกดดันของบรรยากาศต่ำ อากาศจะเบาบางลง ไอน้ำในใบแพร่ออกมาได้ง่าย เป็นต้น

2) หยาดน้ำฟ้า

หยาดน้ำฟ้า (precipitation) คือ การที่ไอน้ำในชั้นบรรยากาศ ควบแน่น (condensation) และตกลงมาในรูปแบบต่างๆ ซึ่งในทางอุตุนิยมวิทยา จำแนกหยาดน้ำฟ้าออกเป็น 6 รูปแบบ ได้แก่

• ฝนละออง (drizzle) คือ หยดน้ำขนาดเล็กกว่า 0.5 มิลลิเมตร ส่วนใหญ่เกิดจากเมฆสเตรตัส
• ฝน (rain) คือ หยดน้ำขนาด 0.5-5 มิลลิเมตร มักมาจาก เมฆนิมโบสเตรตัสและคิวมูโลนิมบัส ควบแน่นโดยมี แกนควบแน่น (condensation nuclei) ช่วยไอน้ำเกาะเป็นหยดน้ำ เช่น ฝุ่น ควัน เกสรดอกไม้
• ฝนน้ำแข็ง (freezing rain) คือ น้ำฝนที่ตกลงมาแล้วกลับมาแข็งตัวอีกครั้งอย่างทันทีเพราะอากาศที่พื้นผิวเย็นมาก
• เกล็ดน้ำฝน (sleet) คือ น้ำฝนที่ตกลงผ่านก้อนเมฆเย็นหรืออากาศเย็นจัดแล้วแข็งตัวเป็นเกล็ดน้ำแข็ง

• หิมะ (snow) คือ ผลึกน้ำแข็งขนาดประมาณ 1-20 มิลลิเมตร ซึ่งเกิดจากไอน้ำจาก น้ำเย็นยิ่งยวด ระเหิดกลับเป็นผลึกน้ำแข็งและตกลงมาในเขตที่มีอากาศหนาวเย็น เช่น ในเขตละติจูดสูง หรือบนเทือกเขาสูง
• ลูกเห็บ (hail) คือ เป็นก้อนน้ำแข็งขนาดใหญ่กว่า 5 เซนติเมตร เกิดลมกรรโชก พัดให้ผลึกน้ำแข็งปะทะกับน้ำเย็นยิ่งยวด กลายเป็นก้อนน้ำแข็งห่อหุ้มกันเป็นชั้นๆ จนมีขนาดใหญ่ และตกลงมา

เพิ่มเติม : หยาดน้ำฟ้า ไม่ได้มีแค่ฝนกับหิมะ

3) น้ำท่า

น้ำท่า (runoff) คือ น้ำผิวดิน (surface water) ที่ไหลอยู่ตามธารน้ำ โดยธรรมชาติของน้ำจะไหลจากที่สูงลงสู่ที่ต่ำเสมอ หรือโดยส่วนใหญ่จะไหลจากเทือกเขาสูงลงสู่แหล่งน้ำต่างๆ และมหาสมุทร ความเร็วของน้ำ ในแต่ละที่ไหลเร็ว-ช้าต่างกัน ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของธารน้ำ 3 ประเด็นหลักๆ คือ

• ความชันของธารน้ำ (gradient) ธารน้ำชันสูงบริเวณ ต้นน้ำ ชันลดลงทาง ปลายน้ำ ดังนั้นน้ำจะไหลเร็วบริเวณต้นน้ำมากกว่าปลายน้ำ
• ขนาดร่องน้ำ (channel size) ปกติต้นน้ำจะมีร่องน้ำแคบกว่าบริเวณปลายน้ำ อันเนื่องมาจากธรรมชาติของการกัดกร่อนของน้ำในแต่ละพื้นที่ จึงทำให้น้ำบริเวณต้นน้ำ น้ำจะไหลเร็วกว่าปลายน้ำ
• ความหยาบธารน้ำ (stream roughness) ต้นน้ำจะมีตะกอนขนาดใหญ่ตกทับถมอยู่มาก เนื่องจากหินเพิ่งผุพังลงมา ท้องน้ำแถบต้นน้ำจึงหยาบมากกว่าปลายน้ำน้ำบริเวณปลายน้ำจึงไหลได้เร็วและราบเรียบกว่าบริเวณต้นน้ำ

เพิ่มเติม : กำเนิดธารน้ำและปัจจัยการไหล

โดยธรรมชาติน้ำและเศษตะกอนที่อยู่ในธารน้ำนั้นไหลผ่านสภาพแวดล้อมต่างๆ ทำให้เกิดธารน้ำที่มีลักษณะแตกต่างกัน 3 รูปแบบ คือ

• ธารน้ำตรง (straight stream) เป็นธารน้ำที่เกิดบริเวณหุบเขาบริเวณต้นน้ำ กระบวนการกรัดกร่อนในบริเวณต้นน้ำจะเป็น การกัดกร่อนในแนวดิ่ง (downcutting) เป็นหลัก และไหลข้อนข้างตรงเป็น หุบเหวลึก (canyon)
• ธารน้ำประสานสาย (braided stream) เกิดเมื่อธารน้ำตรงไหลออกมาจากร่องเขาสู่พื้นที่ราบ ความเร็วน้ำลดลงอย่างรวดเร็ว เกิดเป็นธารน้ำแตกแขนงไหลลงตามความลาดเอียงของพื้นที่คล้ายกับผมเปีย
• ธารน้ำโค้งตวัด (meandering stream) เกิดขึ้นบริเวณปลายน้ำ พัฒนาต่อมาจากธารน้ำประสานสาย มีการกัดกร่อนในแนวราบ มากกว่ากัดกร่อนแนวดิ่ง การไหลแบบโค้งตวัด ความเร็วของน้ำสูงที่สุดจะอยู่ที่โค้งนอกของธารน้ำและส่วนโค้งในจะมีความเร็วต่ำที่สุด เหมือนกับการขับรถบนถนนโค้ง

เพิ่มเติม : ชนิดและภูมิลักษณ์ของธารน้ำ

4) การซึมผ่าน

การซึมผ่าน (infiltration) เป็นการซึมของน้ำผิวดินบางส่วน ผ่านชั้นดินและหินต่างๆ ลงไปเป็น น้ำใต้ดิน (groundwater) จากคุณสมบัติ ความพรุน (porosity) และ ความสามารถในการซึมผ่าน (permiability) ของชั้นดินหรือชั้นหินในแต่ละพื้นที่ นักธรณีวิทยาจำแนกชั้นหินตามศักยภาพในการเป็นชั้นน้ำบาดาลออกเป็น 2 ชนิด คือ

• ชั้นหินต้านน้ำ (aquitard) คือ ชั้นหินที่มีความสามารถในการซึมผ่านได้ต่ำหรือไม่สามารถซึมผ่านได้เลย เช่น ชั้นหินดินดานหรือหินแปรเนื้อแน่น
• ชั้นหินอุ้มน้ำ (aquifer) คือ ชั้นหินที่น้ำสามารถซึมผ่านได้อย่างอิสระ เช่น ชั้นหินทรายที่มีการคัดขนาดดี ชั้นกรวด โดยชั้นหินอุ้มน้ำยังสามารถแบ่งย่อยได้อีกออกเป็น 2 ชนิด ตามคุณสมบัติการมีแรงดันในชั้นน้ำ
  • ชั้นหินอุ้มน้ำไม่มีขอบเขต (unconfined aquifer) คือ ชั้นหินอุ้มน้ำที่ไม่มีชั้นหินต้านน้ำปิดทับอยู่ด้านบน ระดับน้ำใต้ดินในชั้นหินชนิดนี้ขึ้นอยู่กับระดับน้ำใต้ดินในบริเวณนั้น บางครั้งมีชั้นหินต้านน้ำวางตัวรองรับชั้นหินอุ้มน้ำบนเขาสูง อาจเกิด ระดับน้ำใต้ดินลอย (perched water table)
  • ชั้นหินอุ้มน้ำมีขอบเขต (confined aquifer) คือ ชั้นหินอุ้มน้ำที่มีชั้นหินต้านน้ำปิดทับอยู่ด้านบน ทำให้น้ำมีแรงดันจากการกดทับมากกว่าชั้นหินอุ้มน้ำไม่มีขอบเขต ระดับน้ำใต้ดินชั้นนี้ควบคุมโดยโครงสร้างทางธรณีวิทยาของชั้นหินต้านน้ำ เช่น การเอียงเทของชั้นหิน รอยแตกหรือรอยเลื่อน

เพิ่มเติม : ชั้นน้ำใต้ดินและการเคลื่อนที่

การเคลื่อนที่ของน้ำใต้ดิน เมื่อมีการเติมน้ำเข้าสู่ระบบ น้ำจะซึมผ่านชั้นหินต่างๆ และมีการไหลของน้ำใต้ดินเป็นชั้นๆ ซึ่งเวลาที่น้ำใช้ในการไหลขึ้นอยู่กับอัตราการไหลและระยะทาง โดยอาจใช้เวลาเพียงไม่กี่วันหากเป็นชั้นน้ำในระดับตื้น หรืออาจใช้เวลาหลายพันปีสำหรับชั้นน้ำในระดับลึก

เพิ่มเติม : ชั้นน้ำใต้ดินและการเคลื่อนที่

. . .
บทความล่าสุด : www.mitrearth.org
เยี่ยมชม facebook : มิตรเอิร์ธ – mitrearth