L'eau de la Terre est en constante transition à travers le cycle hydrologique. Plusieurs processus naturels font que l'eau change d'état de solide à liquide à gazeux. Lorsque l'eau devient un gaz, elle pénètre dans l'atmosphère de trois manières différentes.
Lorsque l'eau est chauffée à son point d'ébullition, elle se transforme en vapeur d'eau et pénètre dans l'atmosphère. L'énergie du soleil fait chauffer et évaporer l'eau. Une grande partie de l'eau des nuages dans l'atmosphère provient de l'eau qui s'est évaporée de l'océan et s'est finalement condensée dans la haute atmosphère. Cependant, l'eau peut également s'évaporer du sol et d'autres surfaces.
Selon l'U.S. Geological Survey, environ 10% de l'eau dans l'atmosphère est le résultat de la transpiration, un processus dans lequel la vapeur d'eau est libérée par les feuilles des plantes. Les racines des plantes puisent l'eau du sol. Une partie de cette eau est libérée dans l'atmosphère sous forme de vapeur lorsque de petites ouvertures dans les feuilles, appelées stomates, s'ouvrent pendant la photosynthèse.
La sublimation implique la transition de l'eau de son état solide directement à son état gazeux, sans phase liquide entre les deux. La glace se transforme généralement directement en vapeur d'eau à haute altitude, où l'humidité est relativement faible, les vents secs sont présents et le soleil est abondant.