К временам античности и средневековья относится стремление построить завершенную систему описания мира в котором, наряду с воздухом, землёй и огнём, воде отводилась основная роль. Желание получать простые ответы на сложные вопросы чаще всего основывалось на умозрительных рассуждениях о природе воды, причинах волнения морей и океанов, выпадении атмосферных осадков или возникновении наводнений.
«И в то время, когда в других странах количество воды в реках увеличивают дожди, в Ниле, которому дожди никогда не приходят на помощь, воды становится меньше. Затем наступает лето, и Нил становится полноводнее, так как летом в недрах земли царит холод, который и возвращает силу подземным ключам. Но если бы это было так, то летом повышался бы уровень воды в реках, и все колодцы были бы полны водой. Кроме того, я не думаю, чтобы зимой под землёй было больше тепла. Грунтовые воды, пещеры и колодцы бывают тёплыми потому, что в них не проникает холодный воздух извне». Луций Анней Сенека «Вопросы естествознания» (ок. 460 до н.э. – ок. 370 до н.э.).
Древнегреческий учёный Фалес Милетский (ок. 624—547 до н.э.) с водой связывал все явления природы. Он считал, что морская вода поступает в земные полости под действием ветра, а затем, поднимаясь к поверхности, питает реки. Древнегреческий поэту Эзопу (VI—V вв. до н.э.) приписывается миф о всепоглощающей морской пучине Харибде которая, заглатывая воду обнажает сушу. Его земляк учёный Диоген (V в. до н.э.) считал, что земные недра пронизаны ходами и отверстиями и по ним влага перемешается туда, где её нет.
У древнегреческого учёного Демокрита Абдерского, в полном согласии с законом сохранения бытия, возникновение и уничтожение сложных тел происходит путем соединения и разъединения атомов. Из атомов состоят четыре элемента физического мира – земля, вода, воздух и огонь. Самые большие атомы у земли, а самые мелкие – воздуха. Земля, вода и воздух представляют собой смесь атомов всех форм и способны взаимопревращаться. Путём выделения более крупных атомов вода может превратиться в воздух, а земля – воду.
По мнению древнегреческого учёного Платона (427—347 до н.э.) источником воды был Тартар. В эту тёмную бездну по подземным протокам поступает морская вода. Он же одним из первых упоминает о всемирном потопе.
«Доходя в своем стремлении до места, называющегося нижним, вода разливается по рекам, текущим изнутри Земли, и наполняет их, подобно водоводам, а убегая оттуда и притекая сюда, опять обогащает здешние потоки, которые от избытка вод вливаются и в каналы, и в землю и, достигнув до известных мест по принятому направлению, образуют моря, озера, реки и источники». Платон, 427—347 до н.э.
Древнегреческий учёный Аристотель полагал, что воды атмосферных осадков и тающих снегов сначала проникают в подземные пещеры путем фильтрации через грунт, а потом в виде водяного пара распространяются по системам подземных каналов. Затем снова испаряются и конденсируются в атмосфере.
К IV веку до нашей эры относится появление первых представлений о круговороте воды в природе. В Индии, Китае и Корее для определения количества атмосферных осадков начали использовать дождемеры и была установлена связь между ними и стоком воды в реках. По толщине слоя выпавшей влаги в дождемерах в древней Индии исчислялся налог на урожай.
Дождемеры в Китае и Корее представляли собой бронзовые цилиндры диаметром около 15 сантиметров установленные на мраморных постаментах. В Европе дождемеры изобретаются только к XVII веку. В 1693 году в письме Галилео Галилею (Galileo Galilei) о них упоминает итальянский учёный Бенедетто Кастелли (Benedetto Castelli).
В XIII веке арабский учёный Закария ибн Магомет ибн Махмуд аль-Казвини (1203—1283) описал связь приливов с движением Солнца и Луны, но объяснял их согреванием вод под божественным влиянием. Когда выяснилось, что вода при нагревании может переходить из жидкого состояния в газообразное, стало очевидно, что под воздействием солнечного тепла прогревается поверхность океана и вода превращается в пар.
Тем самым было положено представлению о кругообороте воды в природе. Одним из первых свои соображения по этому поводу высказал итальянец Леонардо да Винчи. Он указал на значение водопроницаемых геологических пород для образования водоносных слоёв в Альпах и выдвинул идеи о механизмах восполнения подземных вод и возникновения источников в низинах.
В 1580 году во Франции был издан труд Бернара Палисси «Чудесные рассуждения о природе вод и источников естественных и искусственных, о металлах, солях, камнях, землях, об огне и эмали, со многими другими тайнами предметов, встречающихся в природе. С прибавлением трактата об удобрении земли, всё представленное в виде разговоров, которые ведутся Теоретиком и Практиком». Палисси одним из первых определил дождевые осадки основным источником питания рек и подземных вод. Он также впервые высказал гипотезу о том, что раковины и другие окаменелости это ископаемые останки древних животных.
Поворотным пунктом в формировании представления о кругообороте воды в природе стали исследования француза Пьера Перро (Pierre Perrault, 1608—1680) которому было поручено соорудить водопровод для Лувра. В процессе этой работы Перро измерил отдельные элементы круговорота воды и доказал, что сумма осадков в одном из районов верхней части бассейна реки Сены почти в шесть раз превышает расход воды её вышележащего притока. Иными словами, оказалось, что именно осадки обеспечивают ток воды в реках, а часть влаги на сушу поступает из моря. В 1674 году Перро анонимно опубликовал книгу «On the Origin of Fountains» (О происхождении фонтанов).
В XVII веке немецкий учёный Атанасиус Кирхер опубликовал книгу, в которой обобщил накопленные сведения о вулканах Земли, гидросфере, морских течениях, ветрах и кругообороте воды в природе. Он пришел к заключению, что морская вода поступает по подземным каналам в пустоты в земных недрах, а откуда после возгонки вытекает, питая родники и реки. Местоположения таких стоков были отмечены на составленной им карте мира водоворотами в Балтийском, Белом, Каспийском, Норвежском, Персидском, Чёрном и других морях сообщающихся с ближайшими бассейнами через подземные протоки.
С точки зрения Кирхера мифический Мальстрем у Лофотенских островов близ берегов Норвегии связан подземной протокой с водоворотом на севере Ботнического залива, а затем с водоворотом в Белом море. Тем же способом Каспийское море соединено подземными протоками с Чёрным морем и Персидским заливом.
В середине XVII века первые количественные концепции формирования подземных вод в результате инфильтрации атмосферных осадков сформировали французские ученые Пьер Перро (Pierre Perrault, 1608—1680) и Эдм Мариотт (Edmе Mariotte, 1620—1684). Они исследовали водный баланс реки Сена и доказали, что источником воды были выпадающие в её бассейне атмосферные осадки. Примерно к этому времени (1654 год) относится создание герцогом Тосканским первой международной сети гидрологических наблюдений. Появление пунктов гидрологических и метеорологических наблюдений в Европе создали основу для последующих суждений о природе воды и её перемещению на планете.
Карта мира Атанасиуса Кирхера с морскими течениями, 1667 год.
Английский учёный Эдмунд Галлей в 1686 опубликовал свою работу о пассатах и муссонах. Он объяснил их происхождение нагревом земной поверхности Солнцем. Галлей составил первую метеорологическую карту ветров и предложил способ определения возраста Земли. Для этого было необходимо, с учетом скоростей испарения воды и поступления соли в океан в стоках рек, измерить концентрацию соли в Мировом океане. Галлей, более известный как астроном и математик, также предложил метод барометрического нивелирования.
В 1702 году шведский исследователь Урбан Хьярне (Hjärne Urban,1641—1724) обработал разосланную им анкету о реках и озёрах Швеции и Финляндии. Он пришел к заключению, что уровень Балтийского моря постепенно понижается и объяснил этот феномен опорожнением морского бассейна, давлением паров и движением влаги в системе каналов, соединяющих дно моря с неким центральным подземным резервуаром.
В 1719 году шведский естествоиспытатель Эмануэль Сведенборг (Swedenborg Emanuel, 1688—1772) объяснил понижение уровня полярных морей оттоком вод к экватору из-за вращения Земли. Он также оценил скорость векового понижения уровня Балтийского моря.
Шведский учёный Андерс Цельсий (Anders Celsius, 1701—1744), создатель новой шкалы для измерения температуры, исследовал обмеление гаваней и возвышение подводных скал вслед за отступающим Балтийским морем. Скорость понижения его уровня была оценена примерно в 1,3 сантиметра в год. Причину феномена Цельсий увидел в уменьшении объема водных масс из-за нарушения баланса в кругообороте воды.
