Ngay từ thời xa xưa con người đã muốn hiểu về sự thay đổi thời tiết trong các mùa. Tại sao mùa hè nóng, mùa đông lạnh? Tại sao ngày mùa xuân dài hơn ngày mùa đông? Tại sao đêm mùa đông dài hơn đêm mùa hè?
Ta đã biết trái đất chuyển động theo quỹ đạo vòng quanh mặt trời và đồng thời xoay quanh trục chính của nó như một con vụ (con quay). Sự kiện trái đất xoay quanh chính trục của nó sinh ra ngày và đêm. Nếu trục của trái đất – một đường thẳng tưởng tượng xuyên qua hai cực Bắc và Nam – thẳng góc với quỹ đạo của nó quanh mặt trời thì chẳng có mùa nào hết và ngày đêm trong năm lúc nào cũng bằng nhau.
Nhưng trục của trái đất lại hơi nghiêng. Nguyên nhân của sự nghiêng là do sự kết hợp của nhiều lực tác động vào trái đất.
- Lực thứ nhất là sức hút của mặt trời.
- Lực thứ hai là của mặt trăng.
- Lực thứ ba là do chính trái đất tạo ra khi nó tự xoay quanh chính nó.
Kết quả là trái đất quay quanh mặt trời theo thế nghiêng nghiêng. Và nó giữ cái thế nghiêng nghiêng ấy suốt năm này qua năm kia. Vì trục của trái đất luôn nhắm theo hướng không đổi là sao Bắc cực. Điều này có nghĩa là từng khoảng thời gian trong năm, có lúc cực Bắc trái đất hướng về mặt trời, có khoảng thời gian lại quay ra phía “ngoài”.
Chính vì sự nghiêng này mà tia sáng của mặt trời có lúc hóa ra chênh chếch về phía bắc xích đạo, có khoảng thời gian chiếu thẳng vào xích đạo. Sự khác biệt này tạo nên các mùa khác nhau của từng miền trên trái đất.
Khi Bắc bán cầu quay hướng về phía mặt trời thì những miền ở phía bắc xích đạo là mùa hè và những miền phía Nam bán cầu là mùa đông. Khi ánh sáng thẳng của mặt trời chiếu vào Nam bán cầu thì nam bán cầu là mùa hè. Bắc bán cầu lại là mùa đông. Ngày dài nhất gọi là “hạ chí” và ngày ngắn nhất gọi là “đông chí”.
Một năm có hai thời điểm trong đó ngày và đêm dài bằng nhau trên toàn trái đất, một ngày vào mùa xuân, một ngày vào mùa thu, một ngày là xuân phân (khoảng ngày 21/3) và ngày kia gọi là thu phân (23/9).