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地球围绕太阳做椭圆轨道运动，这个运动过程称为公转。地球公转一周需要365.25天，也就是一年的时间。地球按照逆时针方向沿着椭圆轨道运动，这种稳定的公转运动是地球上四季变化现象的基础。
地球在公转的同时还在自转，地球的自转轴并不垂直于公转轨道平面，而是倾斜了23.5度。这个倾斜角度在地球公转过程中保持不变，地轴始终指向同一个方向。正是这个23.5度的倾斜角，导致了地球表面不同地区在一年中接受太阳辐射的角度和时长发生变化，这就是四季变化的根本原因。
由于地轴倾斜23.5度，太阳直射点在地球表面会发生周期性移动。在春分时，太阳直射赤道；随着地球公转，直射点向北移动，在夏至时到达北回归线；然后向南移动，秋分时再次直射赤道；继续南移，冬至时到达南回归线。这个移动过程周而复始，形成了一年的循环。
由于太阳直射点的移动，地球上不同纬度地区的昼夜长短会发生季节性变化。在夏至时，北半球各地白昼时间达到全年最长，北极圈内出现极昼现象。冬至时则相反，北半球白昼最短，北极圈内出现极夜。而在春分和秋分时，全球各地昼夜等长，都是12小时。这种昼夜长短的变化是造成季节温度差异的重要因素之一。
太阳高度角是指太阳光线与地面水平面之间的夹角。在夏季，太阳高度角较大，阳光几乎垂直照射地面，单位面积接收到的太阳辐射能量较多，因此温度较高。而在冬季，太阳高度角较小，阳光斜射地面，同样的太阳辐射能量分散到更大的地面面积上，单位面积接收的能量减少，温度因此较低。这种太阳高度角的季节性变化是造成四季温度差异的主要原因。