Pembentukan curah hujan telah dipelajari secara empiris dan teoritis dalam kompas fisika disertai dengan latar belakang meteorologi. Studi ini menunjukkan transformasi energi dari molekuler energi potensial di permukaan tanah setelah kepemilikan panas matahari menjadi energi kinetik di atmosfer setelah penguapan dan transformasi ulang dari energi kinetik di troposfer menjadi energi potensial di awan ketika ia mengembun setelah kehilangan suhunya (seluruhnya) dan energi kinetiknya secara bersamaan (karena K.E=2/3 KT) dan memperoleh energi potensial mutlak melalui ketinggian (mgh). Juga diamati bahwa awan mengalami jatuh bebas seperti benda langit lainnya dan tersuspensi di atmosfer karena keadaan tanpa bobot, namun pecah menjadi hujan ketika keadaan tanpa bobot diatasi dengan longsoran salju dan jatuh karena gravitasi. Hal ini berdampak pada curah hujan, tetapi diketahui bahwa suhu tetesan air lebih tinggi dibandingkan suhu awan karena gesekan antara molekul air dan udara dan peningkatan suhu troposfer dengan penurunan tinggi. Molekul-molekul tersebut kemudian jatuh kembali ke permukaan bumi, kehilangan energi kinetiknya setelah beberapa kali bergerak dan sepenuhnya mendapatkan kembali energi potensial molekulernya ketika menjadi stasioner dan proses tersebut mungkin terjadi diulang terus menerus.
Sebuah teori penting tentang pembentukan hujan dikemukakan oleh ahli meteorologi Swedia Bergeron pada tahun 1933 dan dengan kuat didukung oleh Findeisen pada tahun 1938 yang menegaskan bahwa curah hujan sebenarnya adalah pencairan es atau kepingan salju. Konflik dengan teorinya terletak pada fakta bahwa hujan juga diamati dari awan yang tidak mencapai titik beku. Di dalam beberapa negara tropis seperti India dan Nigeria beberapa pengamatan telah dilakukan terhadap hujan dari awan, yang berada jauh di bawah titik beku.
Udara terdiri dari uap air. Jumlah air dalam suatu massa udara kering diukur dalam gram air per kilogram udara kering (g/kg). Ini dikenal sebagai rasio pencampuran. Jumlah uap air atau uap air di udara biasa disebut kelembaban relatifnya (RH). Kelembapan relatif adalah persentase total uap air di udara yang menyerap udara pada suhu tertentu. Berapa banyak uap air yang dapat ditampung oleh suatu ukuran udara sebelum menjadi jenuh dan berubah menjadi awan tergantung pada suhunya. Udara yang lebih dingin mampu menampung lebih sedikit uap air dari udara yang lebih hangat sebelum menjadi jenuh. Oleh karena itu, salah satu metode untuk menjenuhkan sejumlah udara dengan cepat adalah dengan mendinginkan.
[feedposts text="Baca Juga"/]
Titik embun (Td) adalah suhu dimana sejumlah udara harus didinginkan agar menjadi jenuh. Berbagai cara yang digunakan untuk menambahkan uap air ke udara adalah: pemanasan siang hari yang mengakibatkan penguapan air dari permukaan samudra dan lautan, badan air yang lebih kecil atau lahan basah; konvergensi (masa udarabergerak keatas); curah hujan atau virga jatuh dari atas; transpirasi dari tumbuhan; pengangkatan massa udara di atas gunung dan udara sejuk atau kering bergerak di atas air hangat.
Molekul air mulai mengembun pada inti kondensasi seperti es, debu dan garam membentuk awan. Awan adalah sekelompok partikel kecil air dan es yang terlihat tersuspensi di atas permukaan bumi. Hujan adalah tetesan air yang mengembun dari uap air di atmosfer dan kemudian jatuh karena adanya gaya gravitasi. Ada empat mekanisme pendinginan udara hingga titik embun:
- Pendinginan adiabatik (naik dan pemuaian udara akibat konveksi, pergerakan atmosfer berskala besar, atau penghalang fisik seperti gunung)
- Pendinginan konduktif (udara masuk kontak dengan permukaan yang lebih dingin, biasanya dengan cara dihembuskan dari satu permukaan ke permukaan lainnya, misalnya dari suatu permukaan air ke daratan yang lebih dingin)
- Pendinginan radiasi (emisi radiasi infra merah, baik melalui udara maupun permukaan di bawahnya)
- Pendinginan evaporasi ( penambahan uap air ke udara melalui penguapan, yang memaksa suhu udara untuk mendingin hingga mencapai saturasi).
Penggabungan antara tetes air yang bergabung untuk menghasilkan tetesan air yang lebih besar dan terjadi akibat adanya hambatan udara. Seringkali, tetesan air yang lebih besar dihasilkan dari tumbukan tetesan kecil selama turbulensi udara. Penggabungan berlanjut ketika tetesan air yang lebih besar turun, sehingga tetesan menjadi cukup berat untuk mengatasi hambatan udara dan jatuh sebagai hujan. Secara umum, penggabungan paling banyak terjadi sering kali di awan di atas titik beku. Hal ini dikenal sebagai proses hujan hangat.
Laut dan samudera adalah sumber utama hujan; namun sungai dan danau juga berkontribusi terhadap hal tersebut. Panasnya matahari menguapkan air. Air tetap berada di atmosfer sebagai uap yang tidak terlihat sampai pertama kali mengembun menjadi awan dan kemudian menjadi tetesan air hujan.
Curah hujan diukur menggunakan alat pengukur hujan dan jumlah curah hujan dapat diperkirakan dengan radar cuaca misalnya. Dalam hal ini jarang terjadi penelitian di bidang fisika, empiris dengan kajian teoritis dilakukan tentang transformasi energi dalam proses hujan turun.