Naturalnie występujące kłosy lodowe, często w postaci kolistych świec lodowych lub wielościanowych wież lodowych (zwykle trójkątnych), występują sporadycznie w pojemnikach z zamarzniętą deszczówką lub wodą wodociągową. Woda rozszerza się o 9%, gdy zamarza w lód, a najprostszym kształtem kryształu lodu, który odzwierciedla jego wewnętrzną strukturę, jest graniastosłup sześciokątny. Górną i dolną płaszczyzną kryształu są płaszczyzny sześciokątne zwane płaszczyznami podstawowymi, a kierunek prostopadły do płaszczyzn podstawowych nazywamy osią c.
Play media
Proces rozpoczyna się, gdy woda powierzchniowa zarodkuje wokół nieregularności w miejscu styku ze ścianą pojemnika i zamarza do środka. Jeśli oś c pierwszego tworzącego się kryształu nie jest pionowa, płaszczyzna podstawowa przecina powierzchnię wzdłuż linii prostopadłej do osi c, a igiełki lodu mają tendencję do rozchodzenia się po powierzchni wzdłuż tej linii. W tym samym czasie, kurtyna lodu rośnie w dół do przechłodzonej wody wzdłuż płaszczyzny podstawowej. W miarę jak warstwa lodu pokrywa większą część powierzchni, kryształy łączą się i zostają sztywno zamocowane na swoim miejscu, a tafla lodu nadal zamarza ku środkowi, aż do momentu, gdy tylko niewielki otwór pozostanie niezamarznięty. Kurtyny krystalitów mają tendencję do łączenia się pod kątem 60 stopni i dlatego otwór jest często trójkątny, choć możliwe są inne kształty geometryczne. Dalsze rozszerzanie się lodu w dół do wody powoduje wyciskanie pozostałej wody do góry przez otwór i powstaje wypukły menisk, który wybrzusza się nieco wyżej niż powierzchnia lodu. Gdy krawędzie menisku zamarzają, tworzą małą zaporę, która powoduje, że woda podnosi się wyżej, a gdy rozszerza się powyżej zapory lodowej, krawędzie ponownie zamarzają, tworząc kolejną zaporę na szczycie pierwszej. Jeśli tempo rozszerzania się wody jest takie samo jak tempo zamarzania przy krawędzi otworu, to proces ten powtarza się nieustannie i kolejne warstwy tworzą rurkę z lodu. Wzrost rurki trwa w ten sposób aż do momentu, gdy końcówka się zamknie lub gdy cała woda zostanie zamrożona. Powstawanie kolców lodowych związane jest z kształtem zbiornika wodnego, stężeniem rozpuszczonych w nim zanieczyszczeń, temperaturą powietrza i cyrkulacją nad wodą. Kolce wyrastające z krystalitu utworzonego pod powierzchnią wody mogą wystawać z tafli lodu pod stromym kątem, a nie prostopadle do niej.
Małe kolce lodowe mogą być formowane sztucznie na kostkach lodu produkowanych w domowych lodówkach; przy użyciu wody destylowanej w plastikowych foremkach do kostek lodu. Formowanie kolca jest podobne do naturalnie występującego kolca w tym, że ekspansja wewnętrznej wody i zmniejszenie objętości we wnętrzu kostki zwiększają ciśnienie na wodę popychając ją w górę przez otwór. Wzrost rurki ustaje, gdy kropla na szczycie rurki całkowicie zamarznie, co następuje znacznie wcześniej niż reszta wody w kostce zostanie zamrożona. W wyniku tej metody powstają małe kolce, które zazwyczaj mają okrągły lub trójkątny przekrój poprzeczny i ostre końce. Eksperymenty z wykorzystaniem tej metody przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych, ale stwierdzono, że prawdopodobieństwo powstania kolców jest mniejsze w przypadku kostek lodu wykonanych z wody niedestylowanej, ponieważ zanieczyszczenia w wodzie hamują powstawanie kolców. Libbrecht i Lui zasugerowali, że w przypadku małych kolców hodowanych w lodówce, zanieczyszczenia będą się coraz bardziej koncentrować w małej, niezamarzniętej kropli na szczycie rurki, zmniejszając tempo zamarzania i tym samym wzrost rurki. Uważają oni jednak, że w rzadkich przypadkach, gdy wyjątkowo duże kolce rosną w naturalnych, zewnętrznych formacjach lodowych, jakiś inny mechanizm musi usuwać zanieczyszczenia, które gromadzą się na szczycie rosnącej rurki. Albo zanieczyszczenia są wtłaczane do kieszeni, które zamarzają wolniej, albo być może przepływ konwekcyjny, który byłby nieistotny w mniejszych, sztucznie wyhodowanych kolcach, zastępuje wodę na szczycie rurki świeżą wodą z dołu.
Wyniki prac przeprowadzonych w Caltech zasugerowały eksperymenty, które mogą jeszcze bardziej wyjaśnić to zjawisko.
.