La neu és un material porós constituït per cristalls o grans de gel, aire i algunes impureses com fangs, sals, sutge, etc.

Perquè es formi un cristall de neu és indispensable, naturalment, la presència d'aigua a l'atmosfera. S'estima que en el conjunt de l'atmosfera terrestre hi ha 126 x 10^11 tones d'aigua, cosa que equival al 0,001% de l'aigua continguda en el sistema atmosfera-terra. Així doncs, en l'atmosfera disposem de la primera matèria.

L'altre factor essencial és el fred. El núvol ha d'estar per sota dels 0ºC, però no és l'únic paràmetre que entra en joc, ja que podem tenir núvols a una temperatura de -40ºC sense cap cristall de gel, formats exclusivament per gotes d'aigua; en aquest cas es parla d'aigua sobrerefredada.

Per formar un cristall de neu hem de partir sempre d'una partícula (de gel o no) a partir de la qual es comenci a formar la xarxa cristal·lina del gel; a aquesta partícula se l'anomena nucli de congelació. D'aquesta manera, segons la temperatura del núvol i la presència de nuclis de congelació, parlem de dos processos inicials de formació de la neu, fet que equival a dir dos processos de nucleació: la nucleació heterogènia i la nucleació homogènia.

La nucleació heterogènia

Pot començar a partir dels 0ºC sempre que al núvol hi hagi nuclis de congelació. Els nuclis de congelació són petites partícules higroscòpiques, és a dir, que tenen la propietat d'atraure l'aigua, i d'estructura cristal·lina semblant a la del gel natural (xarxa hexagonal). Per sota dels 0ºC els nuclis de congelació comencen a ser actius i al seu voltant poden tenir lloc diferents processos de congelació que acaben donant lloc al que s'anomena un germen precursor del cristall de neu.

A l'atmosfera hi ha diferents tipus de nuclis de congelació:

El germen es pot formar a partir de tres mecanismes. En primer lloc, per deposició : el vapor d'aigua es condensa directament sobre el nucli de congelació sense passar per la fase líquida; en segon lloc, per congelació : en aquest procés, el nucli de congelació està inclòs en una goteta d'aigua que congela al seu voltant; i finalment, per contacte , quan el nucli de congelació entra en contacte amb una gota d'aigua sobrerefredada i fa que aquesta congeli al seu voltant.

La nucleació homogènia

Hem vist que als núvols hi podem tenir aigua en estat líquid, aigua «sobrerefredada», a temperatures pròximes als -40ºC, sempre que al núvol no hi hagi nuclis de congelació que forcin aquesta aigua a cristal·litzar al seu voltant. Quan les gotes d'aigua sobrerefredada arriben a temperatures molt baixes (-40ºC per a gotes d'aigua de 5 mm, -36ºC per a gotes de 25 mm) es comencen a formar estructures de gel diminutes anomenades embrions de gel. Al voltant d'aquests embrions es van afegint molècules de gel que donen lloc inicialment a nuclis de congelació i posteriorment a gèrmens.

De vegades, aquests nuclis de congelació formats exclusivament per gel no es formen in situ , sinó que provenen de núvols superiors, normalment cirrus. Quan es formen aquests nuclis cauen als núvols inferiors per un procés que s'anomena sembrat.

Diferents exemples de nuclis de congelació amb el seu origen i la temperatura d'activitat.

Difusió-deposició

Es produeix quan conviuen gèrmens amb gotes d'aigua sobrerefredada. Al voltant de les gotes d'aigua, la pressió de saturació del vapor d'aigua és més gran que al voltant dels gèrmens, aquest gradient de pressió fa que hi hagi una transferència de vapor d'aigua de la gota cap al germen, on cristal·litza directament sense passar per la fase líquida. Així podem dir que, en aquest procés, els cristalls de neu creixen a expenses de les gotes d'aigua sobrerefredada. El procés crea subsaturació respecte a l'aigua, i les gotes d'aigua es van evaporant per mantenir la saturació d'aigua proporcionant tot el vapor d'aigua necessari perquè creixin els cristalls de neu. Aquest procés té el seu punt òptim al voltant dels -15ºC.

Representació del procés de deposició. El gràfic mostra com la pressió de saturació de vapor d'aigua és més elevada al voltant de les gotes d'aigua sobrerefredada que al voltant dels gèrmens de gel.

Acreció

També es produeix quan conviuen gèrmens amb gotes d'aigua sobrerefredada. En aquest cas, els gèrmens impacten amb les gotes d'aigua i aquestes es gelen sobre els gèrmens formant gebre. Aquest procés té el seu punt òptim entre els 0 i els -10ºC. Si el procés és molt intens pot arribar a donar lloc a neu rodona.

Representació del procés d'acreció. Les gotes d'aigua sobrerefredada impacten amb el germen i gebren al seu voltant.

Agregació

Es produeix per la convivència en el núvol de molts cristalls de neu que xoquen entre ells i s'uneixen. En aquest procés, l'aigua hi té un paper molt important, ja que l'aigua que es troba a la superfície dels cristalls incrementa les unions. És per aquesta raó que aquest procés té el seu punt òptim prop dels 0ºC. Com més humitat hi ha al núvol, més grans són els agregats formats i poden donar lloc a grans flocs de neu.

Els cristalls dendrítics poden unir-se també mecànicament sense que faci falta que hi hagi aigua quan els «braços» dels cristalls s'imbriquen entre ells.

Representació del procés d'agregació en què els flocs de neu es produeixen per la suma de diversos cristalls individuals.