물이 위에만 어는 이유는 물 위에 얼음이 뜨는 것과 비슷한 원리입니다. 얼음은 수소결합이라는 것을 해서 유일하게 고체이면서 액체인 물보다 부피가 큽니다. 밀도는 질량/부피입니다. 즉 질량을 바꿀 수 없으나 물이 얼면서 부피가 늘어나게 됩니다. 그러면 물보다 밀도가 낮아지기 때문에 얼음이 위에 뜨게 됩니다. 그러다보면 위에 얼어버린 부분만 보이고 우리 눈에는 윗부분만 얼게 된 것처럼 보이게 됩니다.
물 표면 즉 위쪽이 어느점 이하로 되면 얼기 시작합니다. 아래쪽이 얼지 않는 이유는 물의 위와 아래가 온도가 다르기 때문에 밀도가 달라집니다. 그래서 대류 현상이 일어나게 되는데요. 이런 위아래의 대류 현상을 일으키면서 낮은 표면 온도쪽이 서서히 얼어서 아래까지 얼게 되는겁니다.
