多伦多大学实验非线性物理学教授斯蒂芬·莫里斯维护了一个关于这个主题的网页。因此，我们请他来解答这个问题：
水是一种罕见的在冻结时会膨胀的材料。如果液态水上形成一层带有小孔的冰壳，它可以将下面的液体困住，使其在冻结过程中没有膨胀的空间。因此，当水开始凝固时，它会被迫从小孔中上升，并开始在孔的边缘周围冻结，形成一个空心的、充满水的尖刺。
水不断向上移动到尖刺中——形成一个自制的吸管，它可以变得很长很细。最终，所有的水都会冻结，尖刺变成固体。将水抬升到尖刺中所需要的能量完全来自于水在冻结时膨胀。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的有影响力的故事的未来。
一些控制水结晶方式的特征在尖刺形成过程中起着重要作用。冰晶的形式取决于冷却速率，因此取决于气温。当环境空气远低于 0 摄氏度时，通常会形成尖刺，从而实现快速冻结——大约 –7 摄氏度（20 华氏度）的气温被证明是最佳的。
快速冷却有利于看起来像薄片的晶体，这些晶体迅速覆盖表面，一些薄片像窗帘一样垂入水中。这些微晶倾向于以 60 度角相互连接，很像雪花的臂膀。它们倾向于在表面留下三角形的孔；因此，尖刺通常具有三角形的底座。尖刺的侧面有时是位于冻结水表面下方的预先存在的微晶的延续。这解释了为什么一些尖刺可以以陡峭的角度从表面延伸。如果水在完全冻结之前恰好流出，也可能得到看起来像小倒金字塔或“冰花瓶”的结构。
纯净的水最适合尖刺的形成，垂直侧面的容器（如冰格）也是如此。人们经常在留在外面的鸟浴盆或宠物饮水盆中看到尖刺。它们很少自然形成——比如在湖泊或池塘的表面上——因为天然水体的冷却速度通常不够快。然而，它们有时可以在落下的雨夹雪球上形成。