地球的公转和地球的自转是形成冬天日短夜长、夏天日长夜短的两大原因。地球自转有个角度，夏天太阳直射在北回归线，冬天在南回归线。随着太阳直射点的移动，地球表面接受到的太阳辐射能量会因时因地而变化。这种变化可以通过昼夜长短和正午太阳高度的变化来体现。昼夜长短反映了日照时间的长短。正午太阳高度是一日内太阳的最大高度，反映了太阳辐射的强弱。二者结合起来，可以定性地表达某时某地太阳辐射能量的多少。
由于地球轨道是椭圆形的，随着地球的绕日公转，日地之间的距离就不断变化。地球轨道上距太阳最近的一点，即椭圆轨道的长轴距太阳较近的一端，称为近日点。在近代，地球过近日点的日期大约在每年1月初。此时地球距太阳约为147100000千米，通常称为近日距。地球轨道上距太阳最远的一点，即椭圆轨道的长轴距太阳较远的一端，称为远日点。在近代，地球过远日点的日期大约在每年的7月初。此时地球距太阳约为152100000千米，通常称为远日距。近日距和远日距二者的平均值为149600000千米，这就是日地平均距离，即1个天文单位。
这就影响了日昼的变化。昼夜长短的变化自春分日至秋分日，是北半球的夏半年。在此期间，太阳直射北半球，北半球各纬度昼长大于夜长；纬度越高，昼越长夜越短。其中，夏至日这一天，北半球各纬度的昼长达到一年中的最大值，而且北极圈及其以北地区，太阳整日不落，出现极昼现象。而南半球则反之。自秋分日至次年春分日，是北半球的冬半年。在此期间，太阳直射南半球，北半球各纬度夜长大于昼长，纬度越高，夜越长昼越短。其中，冬至日这一天，北半球各纬度的昼长达到一年中的最小值，而且北极圈及其以北地区，太阳整日不出，出现极夜现象。而南半球正好相反。在春分日和秋分日，太阳直射赤道，全球各地昼夜等长，各为12小时。
在同一时刻，正午太阳高度的变化由太阳直射点向南北两侧递减。
夏至日那天，太阳直射北回归线，此时，北回归线及其以北各纬度，正午太阳高度达到一年中的最大值；南半球各纬度，正午太阳高度达到一年中的最小值。冬至日那天，太阳直射南回归线，此时，南回归线及其以南各纬度，正午太阳高度达到一年中的最大值；北半球各纬度，正午太阳高度达到一年中的最小值。在春分日和秋分日，太阳直射赤道。正午太阳高度自赤道向两极递减。
综上所述，全球除赤道以外，同一纬度地区的昼夜长短和正午太阳高度随季节而变化，使太阳辐射具有季节变化的规律，形成了四个季节；同时，昼夜长短和正午太阳高度随纬度而变化，使太阳辐射具有纬度分异的规律，形成了五带。
在前面，我们提到过极昼和极夜。所谓极昼，就是太阳永不落，天空总是亮的，这种现象也叫白夜；所谓极夜，就是与极昼相反，太阳总不出来，天空总是黑的。在南极洲的高纬度地区，那里没有“日出而作，日落而息”的生活节律，没有一天24小时的昼夜更替。昼夜交替出现的时间是随着纬度的升高而改变的，纬度越高，极昼和极夜的时间就越长。在南纬90度，即南极点上，昼夜交替的时间各为半年，也就是说，那里白天黑夜交替的时间是整整一年，一年中有半年是连续白天，半年是连续黑夜，那里的一天相当于其他大陆的一年。如果离开南极点，纬度越低，不再是半年白天或半年黑夜，极昼和极夜的时间会逐渐缩短。到了南纬80度，也有极昼和极夜以外的时候才出现1天24小时内的昼夜更替。如果处于极昼的末期，起初每天黑夜的时间很短暂，之后黑夜的时间越来越长，直至最后全是黑夜，极夜也就开始了。而在南极圈（南纬66度33分），一年当中仅有一个整天（24小时）全是白天和一个整天全是黑夜。极昼和极夜的这种自然现象在地球的另一极北极也同样出现，不过它出现的时间与南极正好相反。北极若处在极昼，则南极为极夜；反之亦然。
极昼与极夜的形成，是由于地球在沿椭圆形轨道绕太阳公转时，还绕着自身的倾斜地轴旋转而造成的。原来，地球在自转时，地轴与其垂线形成一个约23.5度的倾斜角，因而地球在公转时便出现有6个月时间两极之中总有一极朝着太阳，便全是白天；而另一个极则背向太阳，于是全是黑夜。南北极这种神奇的自然现象是其他大洲所没有的。