તાપમાન સાથે પાણીનું ઉષ્મીય પ્રસરણ અનિયમિત હોય છે. પાણીનું તાપમાન $4°\,C$ સુધી ઘટાડવામાં આવે તો તેનું કદ ઘટે છે, પરંતુ $4°\,C$ થી $0\,C$સુધી તાપમાન ઘટાડવામાં આવે તો તેના કદમાં વધારો થાય છે. $4°\,C$ તાપમાને પાણીનું કદ લઘુતમ હોય છે, તેથી $4°\,C$ તાપમાને પાણીની ઘનતા મહત્તમ હોય છે જે નીચેના બે આલેખમાં દર્શાવ્યું છે,

પાણીની આવી અનિયમિત વર્તણૂકના કારણે ઠંડા પ્રદેશોમાં આવેલાં તળાવ કે સરોવરમાં પાણીની ઉપરની સપાટી, નીચેની સપાટી કરતાં વહેલી ઠારણ પામે છે, જેમ પાણીના ઉપરના સ્તરનું તાપમાન $10°\,C$ થી ઘટતું જાય છે, તેમ ઉપરના સ્તરની ઘનતા, નીચેના સ્તરની ઘનતા કરતાં વધારે હોય છે તેથી આવું સ્તર નીચે જાય છે અને નીચેનું ઓછી ઘનતાવાળું સ્તર ઉપર આવે છે. જયાં સુધી તળાવ કે સરોવરના સમગ્ર પાણીનું તાપમાન $4°\,C$ થાય ત્યાં સુધી આ પ્રક્રિયા ચાલુ રહે છે. હવે જયારે પાણીના ઉપરના સ્તરનું તાપમાન $4°\,C$ થી ઓછું થાય ત્યારે તેની ઘનતા વધવાના બદલે ઘટે છે, જે આકૃતિ$(b)$ માં દર્શાવ્યું છે, તેથી આ સ્તર પાણીની સપાટી પર જ રહે છે અને ઠંડા વાતાવરણના લીધે વધુ ને વધુ ઠંડું થતું જાય છે. આ રીતે પાણીની ઉપરની સપાટી થીજી જાય એટલે કે ઉપર બરફનું પડ થઈ જાય. જયારે તેની નીચે $4°\,C$ તાપમાનવાળું પાણી રહે છે. પાણીની આવી અનિયમિત વર્તણૂકના કારણે જળચર પ્રાણીઓ જીવી શકે છે.