地球的公轉和地球的自轉是形成冬天日短夜長、夏天日長夜短的兩大原因。地球自轉有個角度，夏天太陽直射在北回歸線，冬天在南回歸線。隨著太陽直射點的移動，地球表面接受到的太陽輻射能量會因時因地而變化。這種變化可以通過晝夜長短和正午太陽高度的變化來體現。晝夜長短反映了日照時間的長短。正午太陽高度是一日內太陽的最大高度，反映了太陽輻射的強弱。二者結合起來，可以定性地表達某時某地太陽輻射能量的多少。

由于地球軌道是橢圓形的，隨著地球的繞日公轉，日地之間的距離就不斷變化。地球軌道上距太陽最近的一點，即橢圓軌道的長軸距太陽較近的一端，稱為近日點。在近代，地球過近日點的日期大約在每年1月初。此時地球距太陽約為147100000千米，通常稱為近日距。地球軌道上距太陽最遠的一點，即橢圓軌道的長軸距太陽較遠的一端，稱為遠日點。在近代，地球過遠日點的日期大約在每年的7月初。此時地球距太陽約為152100000千米，通常稱為遠日距。近日距和遠日距二者的平均值為149600000千米，這就是日地平均距離，即1個天文單位。

這就影響了日晝的變化。晝夜長短的變化自春分日至秋分日，是北半球的夏半年。在此期間，太陽直射北半球，北半球各緯度晝長大于夜長；緯度越高，晝越長夜越短。其中，夏至日這一天，北半球各緯度的晝長達到一年中的最大值，而且北極圈及其以北地區，太陽整日不落，出現極晝現象。而南半球則反之。自秋分日至次年春分日，是北半球的冬半年。在此期間，太陽直射南半球，北半球各緯度夜長大于晝長，緯度越高，夜越長晝越短。其中，冬至日這一天，北半球各緯度的晝長達到一年中的最小值，而且北極圈及其以北地區，太陽整日不出，出現極夜現象。而南半球正好相反。在春分日和秋分日，太陽直射赤道，全球各地晝夜等長，各為12小時。

在同一時刻，正午太陽高度的變化由太陽直射點向南北兩側遞減。

夏至日那天，太陽直射北回歸線，此時，北回歸線及其以北各緯度，正午太陽高度達到一年中的最大值；南半球各緯度，正午太陽高度達到一年中的最小值。冬至日那天，太陽直射南回歸線，此時，南回歸線及其以南各緯度，正午太陽高度達到一年中的最大值；北半球各緯度，正午太陽高度達到一年中的最小值。在春分日和秋分日，太陽直射赤道。正午太陽高度自赤道向兩極遞減。

綜上所述，全球除赤道以外，同一緯度地區的晝夜長短和正午太陽高度隨季節而變化，使太陽輻射具有季節變化的規律，形成了四個季節；同時，晝夜長短和正午太陽高度隨緯度而變化，使太陽輻射具有緯度分異的規律，形成了五帶。

在前面，我們提到過極晝和極夜。所謂極晝，就是太陽永不落，天空總是亮的，這種現象也叫白夜；所謂極夜，就是與極晝相反，太陽總不出來，天空總是黑的。在南極洲的高緯度地區，那里沒有“日出而作，日落而息”的生活節律，沒有一天24小時的晝夜更替。晝夜交替出現的時間是隨著緯度的升高而改變的，緯度越高，極晝和極夜的時間就越長。在南緯90度，即南極點上，晝夜交替的時間各為半年，也就是說，那里白天黑夜交替的時間是整整一年，一年中有半年是連續白天，半年是連續黑夜，那里的一天相當于其他大陸的一年。如果離開南極點，緯度越低，不再是半年白天或半年黑夜，極晝和極夜的時間會逐漸縮短。到了南緯80度，也有極晝和極夜以外的時候才出現1天24小時內的晝夜更替。如果處于極晝的末期，起初每天黑夜的時間很短暫，之后黑夜的時間越來越長，直至最后全是黑夜，極夜也就開始了。而在南極圈（南緯66度33分），一年當中僅有一個整天（24小時）全是白天和一個整天全是黑夜。極晝和極夜的這種自然現象在地球的另一極北極也同樣出現，不過它出現的時間與南極正好相反。北極若處在極晝，則南極為極夜；反之亦然。

極晝與極夜的形成，是由于地球在沿橢圓形軌道繞太陽公轉時，還繞著自身的傾斜地軸旋轉而造成的。原來，地球在自轉時，地軸與其垂線形成一個約23.5度的傾斜角，因而地球在公轉時便出現有6個月時間兩極之中總有一極朝著太陽，便全是白天；而另一個極則背向太陽，于是全是黑夜。南北極這種神奇的自然現象是其他大洲所沒有的。