При охлаждении чистой воды до температур ниже 0° ее молекулы не всегда образуют правильные четырехгранные кристаллы.
Иногда они сохраняют беспорядочное расположение, характерное для жидкого состояния; в таких случаях говорят, что вода переохладилась и может оставаться в таком метастабильном состоянии при очень низких температурах (до —40°). Известно, что мельчайшие капельки воды в облаках переохлаждены и температура их достигает —40°. Переохлажденная вода не может находиться в состоянии равновесия с кристаллами льда. Если внести кристалл льда в облако, состоящее из отдельных капелек переохлажденной воды, или же в сосуд с переохлажденной водой, то сразу же во всем облаке или во всей жидкости в сосуде начнется процесс кристаллизации. Благодаря большой скорости этого процесса образовавшиеся кристаллики очень малы. Однако впоследствии они разрастаются и подвергаются миграционной перекристаллизации, как говорилось выше. Доля переохлажденной воды, превращающейся в лед, зависит от температуры. Следует помнить, что в процессе кристаллизации выделяется скрытая теплота (80 кал/г), в результате чего температура повышается до 0°. Если не устранить достаточного количества тепла, кристаллы льда будут соприкасаться с жидкой водой с температурой 0°, которая уже не находится в состоянии переохлаждения. При дальнейшем же устранении тепла кристаллы льда разрастаются за счет воды, которая, как известно, в их присутствии не может оставаться в состоянии переохлаждения. Образование центров кристаллизации в переохлажденной воде может происходить самопроизвольно, по-видимому вследствие стремления молекул воды объединяться в тетраэдры. При низких температурах динамическое равновесие между разрушением и образованием тетраэдров, по-видимому, нарушается и возникают агрегаты молекул; этот процесс получил название гомогенного образования центров кристаллизации. Или же введение какой-нибудь инородной частицы (например, кристалла иодистого серебра, пылинки и т. п.) приводит к нарушению равновесия и вызывает кристаллизацию, которая в дальнейшем распространяется по всей массе воды при температуре ниже 0°; этот процесс называют гетерогенным образованием центров кристаллизации.