L'eau atmosphérique est constamment recyclée. En effet, la quantité totale d'eau contenue dans l'atmosphère est suffisante pour alimenter en pluie le bassin de l'Amazone en un an: s'il n'y avait pas de renouvellement, le reste du globe serait un désert. Pour une moyenne annuelle de 1030 mm de précipitation, le temps de résidence de l'eau atmosphérique est de 9 jours; le cycle est entretenu par l'énergie solaire.
Le climat et le cycle de l'eau sont étroitement associés. On parle beaucoup actuellement d'effet de serre et de modification globale du climat de la Terre. Les projections dans le future s'appuient notamment sur les changements des climats passés déduits des formes de relief, des sédiments ou des restes organiques. Les modifications les plus impressionnantes qu'à connues l'humanité sont celles des périodes glaciaires du début du Quaternaire: l'extension des calottes glaciaires aux pôles s'est accompagnée du déplacement des ceintures climatiques et des précipitations. Des auteurs ont pu reconstituer les variations des précipitations et du ruissellement superficiel en Angleterre et au Pays de Galles pendant les 8500 dernières années. Les précipitations ont été plus faibles à l'époque boréale et au petit âge glaciaire, elles ont été plus abondantes pendant la période atlantique. Des modifications climatiques et du bilan hydriques de courte durée ont existé dans le passé récent.
Nous disposons de trés peu de données et de méthodes pour prévoir l'évolution climatique et le bilan hydrologique du futur, suite aux modifications apportées par l'homme à l'atmosphère (augmentation de la teneur en CO 2, accumulation de produits de synthèse comme les CFC...) Un bon résumé de la question a été proposé par Choisnel (1999). Des modèles atmosphériques globaux ont été construits mais ils sont trés mal calés car nos connaissances concernant la quantification des cycles de matière et d'énergie sont encore insuffisantes: en particulier il n'est actuellement pas possible de mesurer de façon précise les précipitations, l'évaporation, l'humidité des sols à l'échelle mondial. Un organisme international, l'International Pannel for Climatic Changes ou IPCC, se consacre à cette question.
Le bilan hydrique global établi par McBean (1984) dans le cas d'un changement climatique rapide minimise le rôle des calottes glaciaires dans les échanges d'eau avec l'atmosphère; leur rôle est au contraire déterminant dans la circulation des masses d'eau océaniques et des vents.
L'humanité a surtout altéré en qualité et quantité une fraction de l'eau mondiale totale, l'eau douce (bien que l'eau de mer commence à être atteinte). Or, les changements climatiques globaux dépendent des transferts de vapeur d'eau et d'énergie sur l'ensemble du globe. Le cycle de l'eau est lié au cycle de l'énergie; les recherches actuelles portent en particulier sur l'influence des nuages, un des composants du cycle de l'eau, sur le réchauffement par effet de serre.
Une autre préoccupation est d'estimer les besoins et les ressources en eau dans le proche futur. Les ressources mondiales disponibles en eau douce sont estimées à 25 000 km3, compte-tenu des technologies actuelles. Le besoin annuel global par habitant est évalué à 1000 m3 (en prenant en compte les demandes de l'agriculture et de l'industrie). A présent, les ressources sont 8 fois plus grandes que les besoins. Ce rapport diminuera avec l'augmentation de la population mondiale et des besoins individuels.Un calcul fait sur 30 ans montre l'augmentation de la demande (Tableau 1-H).
Ces modifications résultent essentiellement du changement dans l'utilisation des sols en agriculture. Il faut tenir compte des cultures avides d'eau, comme le riz et la canne à sucre, et du développement de l'irrigation et des fournitures d'eau domestique, avec les pertes inhérentes (en particulier par évaporation dans les réservoirs et fuites dans les canalisations). Le développement de l'agriculture augmente peut-être l'évaporation mais il ne faut pas négliger l'impact de la destruction de la forêt équatoriale.
Ces bilans ne tiennent pas compte de la pollution, et donc de la perte, d'une portion de plus en plus grande de l'eau douce, et de la distribution géographique de la ressource. En régions tempérées comme la nôtre, il n'y a pas de problème crucial d'eau, au moins en quantité, même en période dite de sécheresse, quoiqu'en disent les média. Le niveaux des grandes nappes retouvent vite leur état initial après un hiver pluvieux. Le problème porte surtout sur la qualité de la ressource qui a été impunément polluée pendant ces cinquante dernières années: rejets industriels incontrôlés, utilisation massive de produits phyto-sanitaires. Il est malheureusement trés révélateur que le Nord de la France ne dispose plus d'eau potable en quantité suffisante alors qu'il possède un des plus grand aquifère européen, celui de la craie, dont l'eau est maintenant rendue en grande partie non potable par la pollution induite par les nitrates et les pesticides.
Il n'en est pas de même dans les régions de la ceinture aride de la planète, comme les pays du Sahel. L'aridification est un phénomène historique progressif et les précipitations sont insuffisante pour alimenter les nappes vives. Les forages profonds prélèvent dans les nappes fossiles qui ne sont plus alimentées actuellement (cas de la nappe des grès du "Continental intercalaire" saharien). Cette pratique demande une politique raisonnée de l'utilisation de l'eau pour économiser et faire perdurer une ressource limitée (techniques d'irrigation adaptées à la forte évaporation). Les grandes retenues hydrauliques de prestige, comme le barrage d'Assouan, correspondent à un énorme gaspillage de l'eau par évaporation. Il paraît évident que le développement de l'irrigation aura une influence importante sur le cycle global de l'eau. A titre d'exemple, l'irrigation par aspersion des cultures comme le maïs dans nos région augmente l'évaporation et peut favoriser le lessivage du sol et le transport en profondeur des produits phyto-sanitaires, jusqu'à la nappe