Die Erde dreht sich in einem Tag – wie ein Kreisel – um ihre Achse, und zwar von West nach Ost. Deshalb sehen wir die Sonne am Morgen im Osten auf- und im Westen untergehen. Ihren Höchststand über dem Südhorizont erreicht sie mittags; nachts steht sie vom Beobachter aus hinter der Erde und ist damit nicht sichtbar.
Gleichzeitig bewegt sich die Erde in einem Jahr auf ihrer Bahnellipse um die Sonne. Während dieser Bewegung bleibt, wie die folgende Abbildung zeigt, die Lage der Erdachse stabil.
Das hat etwas mit dem Drehimpuls des Kreisels zu tun, der ohne äußere Einwirkung konstant bleibt. Das bedeutet aber, dass der Nordpol im Juni der Sonne zugeneigt, im Dezember dagegen von ihr weggeneigt ist.
Die folgenden Bilder geben die Situation für einen Ort der geographischen Breite 50° Nord an. Durch Anklicken erhält jeweils man eine vergrößerte Darstellung.
Wie man sieht, steht die Sonne am 21. Juni am höchsten über dem südlichen Horizont (Sommersonnwende): wir haben die kürzeste Nacht.
Am 21. Dezember dagegen erhebt sich die Sonne am wenigsten über den Südhorizont (Wintersonnwende), wir haben die längste Nacht im Jahreslauf.
Am 20. März (Frühlingsanfang) und am 22. September (Herbstanfang) ist es gleich lang dunkel und hell (Tagundnachtgleiche).
Zwischen März und September ist der Tagbogen des betreffenden Ortes stets länger als der Nachtbogen, es ist länger hell als dunkel. Zwischen September und März ist es umgekehrt: der Tagbogen ist kürzer als der Nachtbogen, und es ist länger dunkel als hell.
Für einen Beobachter am Äquator (geographische Breite 0°) geht die Sonne am 20. März und am 22. September
genau im Osten auf und wandert senkrecht über den Zenit nach Westen.
Am 21. Juni weicht ihre Höchstellung mittags um 23,5° nach Norden ab, am 21. Dezember entsprechend um 23,5° nach Süden,
wie die folgende Abbildung zeigt:
Für einen Beobachter am Nordpol (geographische Breite 90°) läuft die Sonne während eines Tages (24 Stunden) parallel zum Horizont um. Dieser Kreis liegt am 20. März 23,5° über dem Horizont. Am 21. Juni läuft die Sonne dann am Horizont entlang. Anschließend verläuft die Sonnenbahn bis zum nächsten 20. März unterhalb des Horizonts: Es herrscht Nacht für ein halbes Jahr, anschließend wieder Tag für ein halbes Jahr.
Darüber hinaus sorgt die Schrägstellung der Erdachse für die Entstehung der Jahreszeiten.
Zum einen ist bei niedrigem Sonnenstand der Weg des Lichts durch die Erdatmosphäre länger als bei hohem
Sonnenstand. Damit wird auch ein größerer Teil der Sonnenstrahlung absorbiert, bis sie auf die Erdoberfläche trifft,
d. h. die Strahlungsleistung (die Energie, die pro Sekunde auf 1 m² trifft) ist dann geringer.
Zum anderen verteilt sich die Strahlungsenergie eines bestimmten Lichtbündels bei niedrigem Sonnenstand
auf eine größere Bodenfläche (\(A_1>A_2\)), was ebenfalls zu einer geringeren Strahlungsleistung führt:
Das hat zur Folge, dass es um den Dezember auf der Nordhalbkugel kälter ist (Winter) als um den Juni (Sommer).
Auf der Südhalbkugel ist das genau umgekehrt.
Die Tatsache, dass die Erde im Winter etwas näher bei der Sonne ist (Perihel im Januar), spielt dabei nur eine
untergeordnete Rolle, weil die Erdbahn nur sehr wenig von einer Kreisbahn abweicht.