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地球的运动包括自转和公转两种基本形式。地球自转一周需要24小时，形成昼夜交替；公转一周需要365天，形成四季变化。地轴相对于公转轨道平面倾斜23.5度，这个倾斜角是造成昼夜长短和太阳高度变化的根本原因。地球在公转轨道上的不同位置对应着春分、夏至、秋分、冬至四个重要节气。
昼夜长短的变化是由地轴倾斜和地球公转共同造成的。晨昏线是昼夜半球的分界线，将地球分为明暗两部分。太阳直射点在一年中在南北回归线之间移动。夏至时太阳直射北回归线，北半球各地昼长夜短；冬至时太阳直射南回归线，北半球各地昼短夜长；春分和秋分时太阳直射赤道，全球昼夜等长。纬度越高的地区，昼夜长短的季节变化越明显。
太阳高度角是太阳光线与地平面之间的夹角，是描述太阳在天空中位置的重要参数。太阳高度角的计算公式是H等于90度减去当地纬度与太阳直射点纬度差的绝对值。太阳高度角受到观测地纬度、太阳直射点位置和观测时间的影响。当太阳位于天顶时，太阳高度角为90度；当太阳位于地平线上时，太阳高度角为0度。太阳高度角的变化直接影响地面接收到的太阳辐射强度。
太阳高度角的年变化规律因纬度而异。热带地区全年太阳高度角较大，年变化幅度相对较小。温带地区夏季太阳高度角大，冬季小，年变化幅度明显。寒带地区全年太阳高度角较小，但年变化幅度最大。以北京、广州、哈尔滨为例，广州位于北回归线附近，夏至时太阳几乎直射，高度角接近90度。北京和哈尔滨纬度较高，夏至时太阳高度角分别为73.5度和68.5度，冬至时分别降至26.5度和21.5度。总体规律是纬度越高，太阳高度角的年变化幅度越大。