Напомним, что смена времён года определяется двумя обстоятельствами: обращением Земли вокруг Солнца со скоростью около 30 км/сек и наклоном земной оси к плоскости эклиптики под углом 66°,5 (точнее: 66°33’15" в 1950 г.), причём во время годового движения Земли ось её практически остаётся в пространстве параллельной самой себе.
Для уяснения причин, вызывающих чередование времён года, достаточно рассмотреть положения Земли относительно Солнца, занимаемые ею 22 июня, 23 сентября, 22 декабря и 21 марта.
В положении 22 июня, когда северный полюс обращён к Солнцу, солнечные лучи падают отвесно только на параллели, отстоящей на 23°,5 к северу от экватора (тропик Рака). Светораздельная плоскость, которая всегда перпендикулярна солнечным лучам, делит земной шар таким образом, что затенённый сектор в северном полушарии оказывается наименьшим, в южном — наибольшим. Любая параллель северного полушария большей своей частью лежит в освещённом секторе, а параллель, отстоящая от полюса на 23°,5 (полярный круг), лежит вся в этом секторе. Значит, всюду день длиннее ночи, а на пространстве от полярного круга до северного полюса Солнце вовсе не заходит. В южном полушарии условия противоположные.
Земля всегда, при любом своем положении, каждые сутки непрерывно теряет тепло в продолжение 24 часов. Получает же она тепло только днём. Чем длиннее день, тем более теплоотдача Земли возмещается притоком солнечного тепла, тем сильнее Земля нагреется. В рассматриваемый момент, очевидно, продолжительность радиации велика: день длинный, а за короткую ночь Земля не успевает сильно охладиться, поэтому приход тепла на Землю больше его расхода. Кроме того, раз Солнце стоит в зените над северным полушарием, всюду в этом полушарии увеличивается угол падения солнечных лучей, т. е. усиливается интенсивность радиации. Усиления радиации вместе с увеличением продолжительности освещения и создают положительный баланс тепла.
День 22 июня называется днём летнего солнцестояния, так как после него в течение нескольких дней высота Солнца в полдень почти не меняется. Летнее солнцестояние является началом астрономического лета в северном полушарии; в южном полушарии начинается зима.
Совсем другие условия наступают для северного полушария 22 декабря. Северный полюс обращён в сторону от Солнца. Солнечные лучи падают отвесно только на параллели, отстоящей на 23°,5 к югу от экватора (тропик Козерога): только здесь, и нигде больше, Солнце стоит в зените. Светораздельная плоскость проходит так, что в северном полушарии освещённый сектор меньше затенённого: дни короткие, ночи длинные, а на полярном круге и за ним до северного полюса Солнце вовсе не восходит. Поскольку Солнце стоит в зените над южным полушарием, в северном полушарии угол падения солнечных лучей везде уменьшается. Ослабление интенсивности радиации вместе с уменьшением продолжительности освещения создают отрицательный баланс тепла: в северном полушарии 22 декабря (зимнее солнцестояние) начинается астрономическая зима, в южном полушарии начинается лето.
В дни весеннего (21 марта) и осеннего (23 сентября) равноденствий условия поступления солнечного тепла будут промежуточными по сравнению с зимой и летом. В эти моменты Земля находится в точках пересечения своего пути с плоскостью небесного экватора; поэтому светораздельный круг, проходя через оба полюса, делит каждую земную параллель пополам, и на всей Земле день равен ночи. Солнце в зените на экваторе.
Из сопоставления всего изложенного следует, что Солнце в зените бывает только в местностях, расположенных между тропиками Рака и Козерога: на тропиках по одному разу в год, в остальных пунктах этого пояса по два раза в год. Между тропиками Солнце бывает в зените в те дни, когда его склонение равно широте места.
В соответствии со вторым законом Кеплера, радиус-вектор Земли (т. е. прямая, соединяющая центры Земли и Солнца) при её годовом движении описывает в равные времена равные площади. Так как орбита Земли есть эллипс, то равные по площади секторы его будут стягиваться дугами различной длины. Чем ближе Земля к Солнцу, тем быстрее движется она по орбите; в наибольшем же приближении к Солнцу Земля находится в зимнее для северного полушария время. Отсюда можно заключить, что тёплое полугодие (т. е. период, в течение которого день длится более 12 час.) в северном полушарии продолжительнее зимнего. Это превышение составляет около 8 суток (7 сут. 14 час.). Стало быть, в южном полушарии холодное полугодие на такое же количество времени длиннее, чем тёплое. Весеннюю (для северного полушария) часть своей орбиты Земля проходит в 93 суток, летнюю в 94, осеннюю в 90 и зимнюю в 89. Для южного полушария цифры остаются те же, но наименования сезонов меняются на противоположные.
Значение смены времён года для жизни ландшафтной оболочки исключительно велико. Её важнейшим следствием является изменение напряжения солнечной радиации в году и, в непосредственной связи с этим, годовой ход температуры. Впрочем, это изменение температуры не всюду протекает однородно.
В поясе, заключённом между тропиками, лучи Солнца в полдень всё время падают под большим углом, разница в продолжительности дня и ночи невелика. Приток тепла в году происходит сравнительно равномерно, без заметных колебаний; поэтому здесь и нет отчётливого деления года на сезоны по температурному признаку.
В областях, расположенных между полюсами и полярными кругами, бывают дни и периоды, когда Солнце не восходит, а также дни и периоды, когда оно всё время находится над горизонтом: день и ночь могут длиться больше суток (на полюсах по полгода). Полярная ночь светлее, чем ночь в умеренных широтах, чему способствуют неглубокое стояние Солнца под горизонтом, полярные сияния и ослепительно чистый покров снега: по словам Н. Пинегина, в такую ночь при луне ясно можно видеть мушку ружья. В полярных и близких к ним странах минимальные температуры наблюдаются в конце полярной ночи: зимнее выхолаживание земной поверхности вызывается здесь длительным и полным отсутствием радиации. Наиболее высокие температуры — в июле — августе. Разница между зимними и летними температурами очень велика, и в первом приближении год в холодном поясе достаточно делить всего на два сезона: холодный и тёплый. Можно было бы ожидать, что в тёплое время года, когда Солнце в ряде мест совсем не заходит на протяжении нескольких месяцев, непрерывная, круглосуточная радиация должна способствовать заметному обогреванию земной поверхности. Но этому препятствует постоянно низкое положение Солнца над горизонтом: его лучи встречают Землю под очень острым углом, и, кроме того, пронизывая значительную толщу атмосферы, заметно поглощаются и рассеиваются.
В каждом полушарии только между полярным кругом и тропиком в сущности и выражено вполне отчётливо деление года на весну, лето, осень и зиму. В соответствии с большой высотой Солнца летом и малой высотой зимой колебания температуры в году достаточно резки (над морем 10—15°, над сушей 40—50°).
Поскольку в природе все явления друг с другом неразрывно связаны, то годовой ход температуры, обусловленный годовым ходом радиации, влечёт за собой множество других явлений, ритм которых оказывается более или менее параллельным ритму температурных изменений. Возникают целые группы сезонных изменений в ландшафтной оболочке. Атмосферные осадки зимой выпадают в твёрдом виде, реки замерзают, происходит смена растительных аспектов, особенно ярко выраженная в умеренных широтах. Безлистные деревья, стоявшие в снегу, весной опушаются нежной зеленью, зелёное их убранство к осени меняет окраску и начинает беднеть в результате листопада, а зимой снег покрывает уже голые сучья. Такая же периодичность намечается и в жизни животных: некоторые на зиму впадают в спячку, другие совершают миграции в поисках более обильной пищи. У некоторых меняются окраска и густота шерсти, нарастает подкожный жировой слой, т. е. происходят явления, имеющие для человека и хозяйственный интерес: шерсть, мех, жир — всё это сезонные образования, результат обращения Земли вокруг Солнца. Да и в самой хозяйственной деятельности, человека, особенно связанной с сельским хозяйством, охотой, рыбной ловлей, проявляется сезонная периодичность.