同一滴水为何可能1.7秒或68秒才冻结
周围环境的影响极大。在一项实验研究中，一个5微升的水滴——大约相当于一颗小雨滴——在约−20 °C的空气中需要68秒才能冻结成冰粒，但浸入液氮中只需1.7秒[3]。同样的水滴体积，时间相差四十倍，说明冷介质带走热量的能力至少和温度数值本身同样重要。
同一介质中的温度也会显著改变冻结时间。当空气温度从约−10.7 °C降到−24.7 °C时，同一个5微升水滴的冻结时间缩短了45.5%[3]。因此，一滴在−10 °C的冬季云层中下落的水滴，和一滴在−25 °C更冷空气中下落的水滴，冻结节奏完全不同。
冻结的水滴内部究竟发生了什么
冻结并不是一瞬间的事。在冷气体中，水滴会经历四个可观察的阶段：预冷（降温至冰点）、复辉（快速部分冻结）、凝固（主体转变为冰）和深冷（冰进一步降温）[3]。凝固阶段对水滴体积尤其敏感，因为水在变成冰时会释放大量潜热——水滴越大，需要带走的热量越多，这个阶段耗时也越长[3]。
冻结的几何形态也很重要。在实验中，水滴外部形成冰壳，并由外向内冻结[3]。在冷表面上，冻结前沿——冰与液体的交界——从底部向上推进，而这一前沿的形状取决于水滴在表面上的附着方式[5]。自由下落的水滴下方没有表面，因此其冻结几何形态会与这些表面实验不同，但“外壳加内核”的模式是理解冰如何在液滴中推进的一个有用图景。
为什么盐水是另一回事
海水水滴的冻结方式与纯水不同。随着冰晶生长，它们会排斥盐分，盐分浓缩在冻结部分顶部出现的盐水膜中[2]。研究人员提出了一种冻结时长的通用定义，用来比较不同盐浓度的水滴，正是因为通常的冻结起止标志无法从纯水直接套用到盐水[2]。
他们还描述了一种称为“冰芽”的生长模式：冰晶从盐水膜底部生长，直到穿透自由表面，他们称这一过程受盐水膜自由界面处的凝结控制[2]。这是一个提出的机制，有分子动力学模拟支持，但并非已确立的普遍规律。对好奇的读者来说，实际要点是：含盐下落水滴的冻结时间并不是纯水时间加一个修正值——盐改变了事件发生的顺序。
多小的水滴才冻得快
大小是另一个主要因素。在一项微米级过冷水滴的数值模型中，10微米水滴和1微米水滴以不同模式冻结：在10微米情况下，水滴内部的热传导减慢了多孔冰的推进；而在1微米情况下，与冷气流的强烈热交换使致密冰能够连续扩展[4]。该模型还发现，对于10微米水滴，冻结时间与成核位点数量无关，而对于1微米水滴，多个成核位点可以加速冻结[4]。
这些是针对理想化微水滴的模拟结果，而非对真实云层中下落雨滴的测量，因此应将其视为理解大小如何改变物理过程的指南，而不是一张时间表。它们所确立的是：低于某一尺寸后，限制因素会从水滴内部的热量移出转变为与周围空气的热交换[4]。
本文引用的文献
冷空气中运动海水水滴冻结的模拟
一项数值模拟对在冷空气中受重力下落的海水水滴的冻结过程进行建模，描述了冷却、凝固和进一步冻结等阶段。
盐水水滴冻结过程中的界面冰芽
含盐水滴的结冰受盐分排斥伴随冰晶生长所支配，产生盐水膜和冰芽模式，作者提出了适用于不同盐浓度水滴的冻结时长通用定义。
冰风射流技术中水滴冻结过程的实验研究
一个5微升水滴在约−20 °C的冷气体中68秒冻结，而在液氮中1.7秒冻结；将空气温度从−10.67 °C降至−24.68 °C可使冻结时间缩短45.5%。
过冷微米级水滴的冻结动力学
在一个三维模型中，10微米和1微米过冷水滴以不同模式冻结，10微米水滴的冻结时间与成核位点数量无关，而多个位点可加速1微米水滴的冻结。
不同润湿性表面上水滴冻结过程的实验与数值研究
在不同润湿性的表面上，超疏水表面上水滴冻结时间随表面温度下降而缩短得比亲水表面更快，且冻结前沿从底部向上生长。