Les isotopes stables de l'hydrogène et de l'oxygène sont à l'état de traces dans les eaux naturelles sous forme de molécules HDO et H182O, les rapports HDO/H162O et H182O/H162O étant respectivement de l'ordre de 3 × 10-4 et 2 × 10-3. La volatilité des molécules lourdes HDO et H182O est inférieure à celle de H162O et par conséquence on observe un fractionnement isotopique lors des changements d'état de l'eau, en particulier évaporation et condensation. Dans le cycle de l'eau atmosphérique, chaque étape est marquée par un fractionnement dont la valeur dépend des conditions d'évaporation prévalant à la surface des océans et de condensation lors de la formation des précipitations. Le tritium, injecté dans la haute atmosphère par les explosions thermonucléaires, constitue un troisième traceur pour l'étude du cycle de l'eau atmosphérique, complémentaire des deux précédents. On met en particulier à profit la localisation dans le temps et dans l'espace de l'injection des molécules HTO dans la stratosphère puis la troposphère. L'analyse de la répartition du deutérium, de l'oxygène 18 et du tritium dans les eaux naturelles conduit à des applications : en météorologie : étude de trajectoires de masses d'air, formation de la grêle ; en hydrologie : origine, temps de renouvellement et de transit d'eau dans un système ; en glaciologie : origine d'échantillons de glace polaire, mesures d'accumulation, études paléoclimatologiques ; en océanographie : identification de masses d'eau, leur mélange.