Nel corso dell’anno la terra percorre un’orbita ellittica intorno al sole, per cui in certi periodi è più vicina ed, in altri, più lontana dal sole. Ciò non ha però alcuna importanza per l’alternarsi delle stagioni, come dimostra praticamente il fatto che al principio di gennaio essa si trovi in posizione di perielio, a circa 147 milioni di chilometri di distanza dal sole, mentre al principio di luglio è in posizione di afelio, a circa 152 milioni di chilometri. Fa quindi più caldo, nel nostro emisfero, quando la terra è più lontana dal sole. Cambia durante l’anno l’inclinazione con cui i raggi solari colpiscono la superficie terrestre. Varia anche, per ogni punto della terra, la durata del giorno e della notte, tranne che all’equatore, che è sempre tagliato a metà dal circolo di illuminazione che separa l’emisfero illuminato da quello buio.
Causa di questo è il fatto che, mentre la terra gira intorno al sole, il suo asse è inclinato costantemente sul piano dell’orbita. L’altezza del sole a mezzogiorno ed il numero di ore di luce diurna variano di conseguenza con le stagioni e le differenze aumentano quanto più ci si avvicina ai poli. Ciò che influisce sul diverso riscaldamento terrestre è la maggiore o minore perpendicolarità dei raggi solari. Più i raggi sono verticali, minore è la superficie su cui concentrano il proprio calore. Farà quindi più caldo nelle regioni equatoriali e tropicali nelle quali l’irraggiamento solare è più concentrato, perché è più vicino alla perpendicolare. Per lo stesso motivo sarà più freddo nelle regioni polari, nelle quali i raggi del sole, durante i sei mesi di illuminazione, giungono molto obliqui. A causa dell’inclinazione dell’asse terrestre per una metà dell’anno è maggiormente illuminato l’emisfero boreale, per l’altra quello australe. L’inversione delle ore di luce avviene gradatamente, per cui si passa dal solstizio d’estate a quello d’inverno e di nuovo all’estate successiva passando attraverso l’equinozio d’autunno ed a quello di primavera. Stiamo attraversando il periodo tra l’autunno e l’inverno. Tutti ci accorgiamo che le ore di luce sono sempre meno. Il 23 settembre,infatti, è stato l’equinozio d’autunno, quando il giorno ha la stessa durata della notte. Da allora gradatamente stiamo arrivando al 22 dicembre, quando la durata del dì sarà la più breve: sulla calotta polare artica regnerà la grande notte, in quella antartica il grande giorno. In questo periodo il sole descrive nel cielo archi paralleli sempre più bassi, finché nel solstizio d’inverno, il 23 dicembre appunto, sorge quasi a sud-est e tramonta quasi a sud-ovest. I crepuscoli diventano sempre più lunghi, sia alla mattina che alla sera, poiché la luce solare illumina, per diffusione, l’atmosfera quando il sole non è ancora sorto e quando è già tramontato. Inoltre, a causa della rifrazione, cioè della progressiva curvatura subita dai raggi solari nell’attraversare strati atmosferici sempre più densi, si può vedere il sole quando è ancora o già di poco sotto l’orizzonte. Il fenomeno della rifrazione ha però anche un effetto meno visibile, ma più importante, sulla luce del sole. I raggi, passando dal vuoto siderale all’atmosfera, un mezzo più denso, rallentano e, se la colpiscono obliquamente, vengono deviati secondo un angolo proporzionale a quello d’incidenza. Come è noto, nella seconda metà del 1600, Isaac Newton scoprì che la luce “bianca” è formata in realtà dall’insieme dei colori dello spettro, che diventano visibili quando attraversano un prisma. Esiste un semplice esperimento, che tutti abbiamo provato da bambini, che dimostra come la rifrazione della luce “bianca” cambi secondo lo spessore del mezzo attraversato. Basta fare una bolla di sapone e si verifica che in alto, dove la pellicola è più sottile, la bolla è scura, mentre in basso, dove è più densa, rimane quasi bianca; nella zona centrale si hanno tutte le bande di colore, che variano con il movimento, perché cambia lo spessore. La conoscenza di questo fenomeno risale a molto prima di Newton. I filosofi, fin dall’epoca di Aristotele, hanno esposto varie teorie sui colori come risultato di diverse miscele di luce e oscurità, anche se non erano in grado di dimostrarle. Secondo loro la luce “bianca” era la più pura e brillante, ma, quando si univa a un po’ di ombra si otteneva una luce rossa, come al tramonto, quando il giorno e la notte si uniscono.