Śnieg powstaje dzięki zjawisku wymiany ciepła. Energia cieplna, która uwalnia się z wody poprzez parowanie lub konwekcję, ogrzewa otoczenie. Dzięki uwolnionemu ciepłu za armatką śnieżną powstaje obszar z mikroklimatem. Zrozumienie procesów wymiany energii cieplej pozwala skuteczniej korzystać z systemów sztucznego naśnieżania.

uporządkowanie  molekuł wody	uporządkowanie molekuł kryształu lodu

Jest niemożliwe, aby temperatura kropli wody osiągnęła niższą wartość niż tzw. „mokra” temperatura otoczenia. Wysokość „mokrej” temperatury zależy od stopnia nagrzania i względnej wilgotności powietrza. Termometr za twoim oknem zawsze wskazuje tzw. ”suchą” czyli „normalną” temperaturę. Jeśli owiniesz go mokrą ściereczką, wówczas zacznie wskazywać inną, niższą wartość. Dzieje się tak dlatego, że woda odparowując, obniża temperaturę, którą termometr mierzy. Im większe parowanie, tym więcej ciepła zostanie odprowadzone, a termometr pokaże niższą temperaturę. Jeżeli powietrze będzie suche, woda odparuje szybciej. Gdy względna wilgotność powietrza wyniesie 100% woda nie przeniknie do atmosfery, a wówczas oba termometry - „mokry” i „suchy” - zmierzą tę samą wartość.
Prawdziwość tego faktu można stwierdzić na własnej skórze. Wystarczy pojechać na rowerze lub motorze w mokrej odzieży - nawet w upał będzie nam zimno.

Poniższa tabela przedstawia wartości „mokrej” temperatury

Jeżeli poznamy wartość „mokrej” temperatury będziemy w stanie przewidzieć moment zamarzania wody. Do przemiany wody w lód dochodzi dzięki zjawisku nukleacji  - aby zmieniła ona stan skupienia musi najpierw osiągnąć tzw. „temperaturę nukleacji”. Istnieją dwa rodzaje nukleacji: homogeniczna i heterogeniczna.

Do nukleacji homogenicznej dochodzi wtedy, kiedy woda nie zawiera obcych domieszek i nie ma kontaktu z żadnymi powierzchniami. Przemiana stanu skupienia następuje pod wpływem zmian temperatury lub ciśnienia. W przypadku nukleacji homogenicznej na zamarzanie wody wpływa przede wszystkim czynnik termiczny.

Proces nukleacji homogenicznej rozpoczyna się od momentu, w którym niewielka grupa molekuł osiągnie stały stan skupienia. Ta koncentracja - tzw. „zarodek nukleacji” inicjuje powstawanie dalszych kryształów lodu, które tworzą się aż do chwili całkowitego zamarznięcia danej objętości wody. Proces powstawania kryształów jest zależny od ilości odprowadzonego ciepła utajonego. Molekuły wody przyłączają się do zarodka nukleacji w bardzo szybkim tempie. Podczas rośnięcia kryształu uwalnia się energia, która powoduje ochłodzenie przyłączonych molekuł. Wzrost kryształu lodu trwa do momentu, w którym połączą się wszystkie molekuły. Wówczas woda przemienia się w lód.

Na ogół myślimy, że czysta woda zaczyna zamarzać kiedy temperatura spadnie poniżej 0°C. W rzeczywistości do nukleacji idealnie czystej wody (np. destylowanej), a w konsekwencji do jej zamarzania, dochodzi dopiero przy -40°C. To zjawisko, znane jako "przemrożenie", można obserwować w wyższych warstwach troposfery lub w warunkach laboratoryjnych.

Do zmiany stanu skupienia wody w temperaturze powyżej –40°C dochodzi dzięki obecności różnych domieszek. Substancje te zachowują się jak zarodki nukleacji przy znacznie wyższych temperaturach niż zarodki wytwarzane w  laboratoryjnie czystej wodzie w trakcie nukleacji homogenicznej. Miejsce, w którym powstaje zarodek nukleacji nazywamy jądrem nukleacyjnym. Podobnie, jak w przypadku nukleacji homogenicznej, nukleacją heterogeniczną rządzą dwa najważniejsze czynniki: wymiana energii podczas tworzenia się zarodka nukleacji i szybkość wzrostu kryształu. Na zamarzanie wody w procesie nukleacji heterogenicznej w największym stopniu wpływa konfiguracja jądra nukleacji oraz przenoszenie energii.

W trakcie wytwarzania sztucznego śniegu mamy do czynienia z nukleacją heterogeniczną. Woda zawiera mnóstwo obcych domieszek, które zachowują się jak nukleatory. Różne rodzaje substancji kondensują wodę przy różnych temperaturach. Można je podzielić na nukelatory wysokotemperaturowe (jodki, suchy  lód, proteiny) i niskotemperaturowe (wapń, sód, powszechnie występujące w przyrodzie minerały). Woda stosowana do wytwarzania sztucznego śniegu, pochodząca z górskich strumieni, rzek lub wodociągu, zawiera duże ilości nukleatorów niskotemperaturowych. To sprawia, że jej temperatura nukleacyjna jest dość niska (od -10 do -6°C).

Dlaczego jednak szron i gołoledź powstają przy 0°C? Dzieje się tak dlatego, że na proces zamarzania wpływa również inny czynnik - specyfika powierzchni (np. dróg lub drzew), na których tworzy się warstwa kryształków lodu. Pomiędzy powierzchnią a jądrem nukleacji dochodzi do wymiany energii, co powoduje zamarzanie wody w temperaturach bliskich 0°C.

Moment przemiany wody w kryształ lodu inicjuje nukleator z najwyższą temperaturą nukleacji. Doświadczenia wykazały, że w 95% przypadków naturalna, nieoczyszczona woda zamarza w rozmaitych temperaturach. Uśredniona temperatura nukleacji wody w stanie naturalnym wynosi -7.7°C. Dodatek jednorodnego, wysokotemperaturowego nukleatora podnosi temperaturę zamarzania wody. Dzięki zastosowaniu krystalizatora „Snomax” punkt zamarzania można przesunąć aż do -2.9°C.

Podczas wychładzania kropelek wody wystrzeliwanych z lancy lub armatki śnieżnej do otoczenia uwalnia się ciepło: każdy gram wody ochładzający się o jeden stopień Celsjusza  oddaje 4.18 J (1 kalorie) energii. Przy zmianie stanu skupienia ten sam gram wody uwalnia dodatkowo 334 J (80 kalorii). Owa gwałtowna wymiana energii podnosi temperaturę kropli wody do 0°C, która nie ulegnie zmianie dopóty, dopóki cała woda nie osiągnie stałego stanu skupienia. To wyjaśnia w prosty sposób, dlaczego większość z nas jest  przekonana, że woda zamarza przy 0°C. Mówiąc ściślej, woda rzeczywiście jest w stanie zamarznąć w temperaturze 0°C lub niższej, ale jedynie wtedy, kiedy wcześniej zostanie ochłodzona do temperatury nukelacji.

Relację, jaka zachodzi pomiędzy temperaturą nukleacji a wielkością kropli wody przedstawiają poniższe, potwierdzone statystycznie dane. Po pierwsze - zwiększenie objętości kropli o połowę podnosi temperaturę nukleacji o 0.56°C . Po drugie - zmniejszenie jej objętości o połowę sprawia, że temperatura nukleacji obniża się o 1.67°C. Te wartości dotyczą kropli średniej wielkości bez nukleatorów wysokotemperaturowych.

Rysunek przedstawia przypadkowe rozmieszczenie nukleatorów w kropli wody. Liczby pokazują temperatury nukleacji różnych domieszek (kurz, pył, drobne ziarenka piasku, itp.) Duża kropla wody zamarza w temperaturze -3°C. Kiedy rozdzielimy ją na połowę, zamarznie tylko ta część, która zawiera nukleator wysokotemperaturowy. Pozostała ilość wody zacznie marznąć przy dopiero przy -9°C. Nukleator z najwyższą temperaturą nukleacji inicjujący zamarzanie jest oznaczony na czerwono. Jeśli będziemy dalej dzielić krople, to wówczas w temperaturze -3°C zamarznie  jedynie 25% objętości wody.

Kiedy spojrzymy bliżej na relacje między wielkością kropli a zjawiskiem parowania, dojdziemy do poniższych wniosków:

- jeżeli uwzględnimy związek pomiędzy wielkością kropli i temperaturą nukleacji (zastosujemy nukleatory wysokotemperaturowe wraz z większymi kroplami wody) osiągniemy większą wydajność naśnieżania

- jeżeli oprócz zwiększenia przepływu wody obniżymy odparowywanie i zmniejszymy straty drobnych kryształków (wiatr, niekorzystna temperatura), więcej śniegu spadnie tam, gdzie go potrzebujemy.

Doświadczenia wykazały, że zwiększenie objętości wody o 20% powoduje wzrost masy wytworzonego śniegu aż o 40%.
Jeśli poznamy relacje zachodzące pomiędzy „mokrą” temperaturą, temperaturą nukleacji i wielkością kropli mgły wodnej, będziemy w stanie przy pomocy związanych z tym zjawisk fizycznych poprawiać wydajność produkcji i jakość sztucznego śniegu.