Причина сезонных изменений - несовпадение плоскостей экватора Земли и её орбиты вокруг Солнца. В настоящее время угол между ними равен e=23°26'. На рис.45 показаны положения Земли на её орбите (плоскость орбиты перпендикулярна чертежу) 22 июня и 22 декабря. Эти даты соответствуют летнему и зимнему солнцестояниям и принимаются в качестве начал астрономического лета и астрономической зимы в северном полушарии.
На рис.45 выделены полярные шапки, в которых наблюдается полярная ночь; в противоположных полярных шапках в эти моменты наблюдается полярный день; направление осевого вращения Земли показано стрелками. Географические параллели, ограничивающие эти области называются полярными кругами. Географические широты этих кругов равны по величине (66°34') и противоположны по знаку (в северном полушарии широта положительна).
Наблюдатель, стоящий на Земле в точке А или в точке В, увидит Солнце точно над головой (в зените). Чтобы понять это, необходимо знать, что сила тяжести в этих точках направлена к центру Земли (вдоль соответствующего радиуса). Точка А принадлежит южному тропику (тропику Козерога), а, точка В - северному (тропику Рака). Их географические широты составляют по абсолютной величине 23°26' и противоположны по знаку. Между тропиками находится жаркий пояс Земли. Здесь хотя бы раз в году Солнце бывает в зените.
На экваторе высота Солнца в полдень в течение года изменяется от 66°34' до 90°, то есть на 23°26' - меньше, чем где бы то ни было на Земле. Вне тропической зоны годичное изменение полуденной высоты Солнца составляет 46°53'. Между тропиком и полярным кругом находится зона умеренного климата.
За полярным кругом в период полярной ночи высота Солнца отрицательна, даже когда оно находится ближе всего к точке юга на горизонте. На самом полюсе высота Солнца колеблется от -23°26',5 до 23°26',5 (точное определение понятие высоты см. в Гл. VII).
На рис.46 показан вид земного шара в начале астрономического лета в северном полушарии (Солнце находится в плоскости чертежа слева; центр Земли вследствие годичного движения планеты перемещается в плоскости чертежа вверх). В пунктах Т0 и Т1 наблюдается полярный день и он будет продолжаться до тех пор, пока терминатор КК0, вращаясь против часовой стрелки (при движении Земли вокруг Солнца), станет пересекать соответствующую географическую параллель. В тот момент, когда терминатор пройдёт через точку С (северный полюс), любая географическая параллель разделится линией терминатора на две равные части; день станет равен ночи (уточнение см. в Гл. I, §7). Этому моменту соответствует в данном случае осеннее равноденствие.
За начала астрономической весны и астрономической осени принимаются соответствующие моменты равноденствий (около 21 марта и 23 сентября). Вблизи этих моментов везде на Земле, за исключением окрестностей полюсов, где ещё (или уже) стоит полярный день (атмосферная рефракция приподнимает Солнце над горизонтом), продолжительности дня и ночи приблизительно одинаковые. Восходит Солнце приблизительно в точке востока и заходит - в точке запада.
В пункте с географической широтой высота Солнца в полдень определяется по формуле: h=90°-f+d, где d - склонение Солнца, равное приблизительно нулю 21 марта и 23 сентября и достигающее экстремальных значений 22 июня (+23°26') и 22 декабря (-23°26').
Если не учитывать ослабление света в атмосфере, то освещённость горизонтальной площадки Солнцем равна E=E0sinh, где - постоянная. В полдень величина принимает наибольшее значение, зависящее от времени года. Ниже для полдня приводятся отношения E/E0 в начале лета (индекс “1”) и в начале зимы (индекс “2”) для Еревана и Петербурга:
Летние освещённости в этих городах различаются гораздо меньше, чем зимние. Кроме того, из последнего столбца видно, что годовое изменение максимальной суточной освещённости в Петербурге в 3,25 раза больше, чем в Ереване. Ереван находится на 2200 км южнее Петербурга.