水有个反常特性，4℃以上是常规热胀冷缩，但低于4℃时反而冷胀热缩。当水温降到3℃时，这层冷水会膨胀变轻，所以能浮在湖面不再下沉。
湖面水遇冷收缩下沉时，会形成上下对流，直到整片湖水温度都达到4℃。这时对流停止，因为4℃是水密度最大的状态。
当表层水温降到3℃，虽然比4℃更冷，但因为密度反而减小，这层冷水就留在表面不再下沉。随着天气继续变冷，湖面终于会在0℃结冰。
冰能浮在水面是因为它的密度比水小。湖面结冰后，冰层会逐渐加厚，但冰层下方的水体仍会保持4℃的温度，这对水下生物非常重要。
确切来说，水在0℃时结冰并漂浮在水面。冰水混合物的温度始终维持在零度，直到全部结冰完成。
冰始终漂浮的现象，源于水在4℃时的密度最大特性。当温度低于4℃时，水的体积膨胀密度减小，因此形成的冰自然浮在表层。
湖底水温能维持4℃，是因为表层冷水变重下沉时，底部较暖的水会上浮。这种对流机制在水温降至4℃前持续作用，形成均匀水温层。
当表层水温降至3℃，其密度反而低于下层4℃的水，形成稳定的分层结构。这种特殊密度变化，最终导致冰层能稳定漂浮在水面。