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地球围绕太阳做椭圆轨道运动，公转周期为365.25天。很多人认为四季变化是由于地球与太阳距离的变化造成的，但实际上，轨道距离的变化并不是四季形成的主要原因。真正的关键因素是地球自转轴相对于公转轨道平面倾斜了23.5度。这个倾斜角度使得地球在公转过程中，不同区域接受太阳辐射的角度和强度发生周期性变化，从而形成了四季。
地球自转轴相对于公转轨道平面倾斜23.5度，这是一个非常重要的天文现象。在地球公转过程中，地轴始终指向同一个方向，也就是北极星的方向，这种倾斜的方向保持不变。正是由于这种稳定的倾斜，使得地球在围绕太阳公转时，不同区域接受太阳辐射的角度会发生周期性变化。当地球处于轨道的不同位置时，北半球和南半球轮流更直接地面向太阳，这就是四季变化的根本原因。
由于地轴倾斜，太阳直射点在地球表面会发生周期性移动。这个移动范围在南北回归线之间，也就是南纬23.5度到北纬23.5度之间。春分时，大约3月21日，太阳直射赤道；夏至时，6月21日，太阳直射北回归线，这是北半球的夏季；秋分时，9月23日，太阳再次直射赤道；冬至时，12月22日，太阳直射南回归线，这是北半球的冬季。太阳直射点的这种移动直接影响了地球不同纬度地区接受太阳辐射的强度和昼夜长短。
由于地轴倾斜和太阳直射点的移动，地球各地的昼夜长短会发生周期性变化。夏至时，北半球倾向太阳，出现昼长夜短的现象，白天可达15-16小时；而冬至时，北半球背离太阳，出现昼短夜长，白天只有8-9小时。春分和秋分时，全球各地昼夜等长，都是12小时。在极地地区，这种变化更加极端，会出现极昼和极夜现象。需要注意的是，南北半球的昼夜长短变化是相反的，当北半球是夏季昼长夜短时，南半球正是冬季昼短夜长。
太阳高度角是指太阳光线与地平面之间的夹角，它直接影响地面接受太阳辐射的强度。在夏季，太阳高度角较大，阳光几乎垂直照射地面，单位面积接受的辐射能量最多，因此气温较高。在冬季，太阳高度角较小，阳光斜射地面，同样的太阳能量分散到更大的地面面积上，单位面积接受的辐射能量减少，因此气温较低。以北京为例，夏至时太阳高度角可达73度，而冬至时只有26度左右，这种巨大的差异是造成四季温度变化的重要原因。