地球上的四季首先表現為一種天文現象，不僅是溫度的周期性變化，而且是晝夜長短和太陽高度的周期性變化。當然晝夜長短和正午太陽高度的改變，決定了溫度的變化。四季的遞變全球不是統一的，北半球是夏季，南半球是冬季；北半球由暖變冷，南半球由冷變熱。
現在分析一下晝夜長短和太陽高度，在不同季節的周期性變化規律。
從春分經夏至到秋分，北半球處於夏半年，南半球處於冬半年。在此期間，北半球晝長夜短，南半球晝短夜長；北極處於極晝，南極處於極夜；北回歸線以北的太陽高度始終大於平均值，南回歸線以南則小於平均值。北回歸線以北太陽升起於東北方的地平圈上，降落於西北方的地平圈上。二分日全球各地太陽均升起於正東方，降落於正西方。
從秋分經冬至到春分，北半球處於冬半年，南半球處於夏半年。在此期間，南北半球的晝夜長短、極晝極夜和太陽高度，都同上述情況相反。北回歸線以北太陽升起於東南方的地平圈上，降落於西南方的地平圈上。
從夏至經秋分到冬至，北半球由夏半年變為冬半年，南半球由冬半年變為夏半年。在此期間，北半球晝漸短，夜漸長，極晝帶逐漸縮小；南半球晝漸長，夜漸短，極夜帶逐漸縮小。北回歸線以北太陽高度一直在減小，南回歸線以南則在增大。北回歸線以北太陽出升方向由東北變為東南，降落方向由西北變為西南。秋分日由正東升起，正西降落。
從冬至經春分到夏至，北半球由冬半年變為夏半年，南半球由夏半年變為冬半年。南北半球的晝夜長短、極晝極夜和太陽高度的變化同上述情況相反。北回歸線以北太陽升起的方向由東南變為東北，降落方向由西南變為西北。
從冬至到春分和從夏至到秋分，全球各地晝長都向平均值（12小時）接近，極晝、極夜的範圍都逐漸縮小。北回歸線以北和南回歸線以南的太陽高度都在向平均值接近。北回歸線以北，太陽升起方向逐漸接近正東，降落方向接近於正西。
從春分到夏至和從秋分到冬至，全球各地晝夜長短都在向極值變化，極晝、極夜的範圍都逐漸擴大。北回歸線以北和南回歸線以南的太陽高度也趨向極值。北回歸線以北太陽升、落的方向，分別向東北、東南和西北、西南移動。
由於南北回歸線之間的晝夜長短和太陽高度的變化較複雜，所占篇幅較多，我們沒有充分地說明，讀者自行總結出規律來也是不難做到的。在分析的時候，最好能分成幾個階段來進行。例如，在北半球，可以從春分到太陽直射該地算做一個階段，再到夏至為第二個階段，夏至以後到再次太陽直射為第三個階段，以後可以把到冬至作為下一個階段，由冬至到春分是最後一個階段，太陽完成了一次回歸運動。每個階段晝夜長短、太陽高度、太陽的升落方向及正午時太陽的方向（例如，北半球夏至時，太陽在正午時位於天頂以北，冬至時則在天頂以南）等等，都有較大的變化。
春分和秋分
春分：二十四節氣之一，每年公曆3月20或21日，太陽到達黃經0度（春分點）時開始。這天晝夜長短平均，正當春季九十日之半，所以稱“春分”。春分這一天陽光直射赤道，晝夜幾乎相等，其後陽光直射位置逐漸北移，開始晝長夜短。春分時節，我國除青藏高原、東北、西北和華北北部地區外都進入明媚的春天。
秋分：二十四節氣之一，時間一般為每年的9月22或23日。這一天太陽直射地球赤道，一天24小時晝夜均分；全球無極晝極夜現象。秋分之後，北極附近極夜範圍漸大，南極附近極晝範圍漸大。