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地球在绕太阳公转的同时还在不停地自转，地球的自转带来了昼夜交替的现象。因为地球自转的方向是自西向东，所以在地球上可以看到太阳东升西落的现象。
地球自转一周的时间为23小时56分4秒，这被称为一个恒星日。但是，因为地球在自转的同时还在绕太阳公转，所以地球上的人们想再次看到太阳，除了一个恒星日外，地球还要再转一点才能再次对准太阳，这要用24小时，这被称为一个太阳日，也就是人们通常所说的一昼夜。人们常常出于自己的直接观察，认为一个太阳日才是地球的自转周期，其实这是错误的。
地球的自转角速度也不是永恒不变的，由于宇宙的长期演化，地球自转的速度在逐渐减慢。据科学家对贝壳和珊瑚生长式样做出的判断，大约在15亿年以前，地球自转一周为9小时左右，比现在要快1.5倍左右。造成地球自转减慢的原因主要是潮汐、大气层与地球表面的摩擦及地心引力的减弱等。因为地球自转速度的减慢是非常缓慢的，所以人们感觉不到，并且地球自转速度的减慢目前也不会影响人们的正常生活。
时区和区时
过去，世界各地区的人们通过观察太阳的位置来制定时间。中国就有根据太阳在天空中的运行规律而制定出来的十二时辰。世界各个国家和地区的人们使用的时间都是各不相同的，甚至不同的城镇之间的时间就有所不同。时间的使用是相当混乱的。随着交通和电信的发达，各地交流日益频繁，不同的地方时间，造成许多困扰，于是人们就规定了世界时区。
时区
时区以子午线为中心，依次由东向西每15度划分一个时区，这样全球划分为了24个时区，每个时区范围内的时间都是相同的。具体是：以通过英国格林尼治天文台的本初子午线为标准，其东西经度7.5度的范围为零时区，以东为东1区～12区，以西为西1区～12区，每个时区中央经线上的时间就是各时区的标准时间。
区时
每个时区内的标准时间为区时，相邻的每个时区之间的时间差为1小时。时区的界线原则上按照地理经线划分，但在具体实施中往往根据各国的行政区界或自然界线来确定，所以时区的界限并不完全是同经线重合的。目前，全世界多数国家都采用以区时为单位的标准时，并保持与格林尼治时间相差整小时数。
标准时间
国际标准时间以本初子午线上的时间为标准，又叫格林尼治时间。但有些国家仍然采用其首都或重要商埠的地方时为该国的标准时间，所以这些国家的标准时间与格林尼治时间的差数甚至会相差到分钟。中国采用的全国标准时间为北京所处的东8区的区时。
国际日期变更线
太平洋中的180度经线为“国际日期变更线”，因为这里是东12区与西12区的分界线，也叫日界线。从180度经线向西，日期要加一天，从180度经线向东，日期则要减一天。为了避免一个国家同时出现不同的日期，所以，实际的国际日期变更线并不是直线。
时差
时差是真太阳时与平太阳时的时刻之差。所谓真太阳时是以真正的太阳为参考点，以真正的太阳在人们的视觉中的运动规律来计算地球自转一周的时间。平太阳时又叫平时，主要是以地球自转周期为基准的一种时间计量系统。日常生活用的钟和手表都用的是平太阳时。
时差产生的原因一方面是因为地球绕太阳运动的速度不匀速，另一方面是因为地球公转轨道面和地球赤道面之间存在着倾角，真太阳在地球公转轨道面上不同点的时角变化率各不相同，也会引起真太阳时的不均匀。
时差的值一年之中每天都在变化，每年有4次为零，在4月16日、6月15日、9月1日和12月24日前后；4次为极值，在2月12日（负极大）、5月15日（正极小）、7月26日（负极小）和11月3日（正极大）前后。最大值能够达到16分钟。
相邻两个时区时间相差1小时，东时区较早，西时区较迟。计算两地的时差，先算出相隔多少个时区，然后确定东、西的位置，向东则顺时针方向增加，向西则逆时针方向减去，由此可以算出两地的时差。
中国古代计时单位
我国古代的计时单位有时、刻、更、鼓、点。
时：指时辰，古时一天分12个时辰，采用地支作为时辰名称。子时，夜半，从23点到1点；丑时，鸡鸣，从1点到3点；寅时，平旦，从3点到5点；卯时，日出，从5点到7点；辰时，食时，从7点到9点；巳时，隅中，从9点到11点；午时，日中，从11点到13点；未时，日映，从13点到15点；申时，哺时，从15点到17点；酉时，日入，从17点到19点；戌时，黄昏，从19点到21点；亥时，人定，从21点到23点。
刻：古代使用漏壶计时，分一昼夜为100刻，一刻折合成现代计时单位14分24秒。
更：一夜分五更，每更约2小时，晚七时至九时为一更，晚九时至夜十一时为二更，其余类推。
鼓：古代夜间击鼓报更，故以其为更的代称。
点：一更又分五点。一点合现在24分钟。
地球的公转
地球围绕着太阳做周期性的绕转，被称为地球的公转。从北极上空来看，地球的公转呈逆时针方向，也就是地球公转的方向同地球自转的方向是一致的，也是自西向东。地球公转一周的时间是一恒星年，准确时间为365天6小时9分10秒。
地球公转的轨道呈椭圆形，所以地球与太阳之间的距离随着地球在公转轨道上的位置变化而时近时远。当地球运行到近日点的时候，地球与太阳之间的距离约为1.471亿千米；当地球运行到远日点的时候，地球与太阳之间的距离约为1.521亿千米。同时，地球的公转速度也在不断变化。当地球运行到近日点时，它的公转速度最快；当地球运行到远日点时，它的公转速度最慢。由于地球每年约1月初过近日点，7月初过远日点，因而从秋分到春分的冬半年约179天，春分再到秋分的夏半年则需要186天。
尽管地球公转的轨道形状是椭圆，但它的偏心率和扁率却很小，所以地球的公转轨道十分接近正圆。“近圆性”既是地球公转轨道的一个特点，也是所有行星绕日运行轨道的共同特征之一。
另外，地球的公转加上黄赤交角的存在，也给地球带来了一年四季的季节变化。
极昼和极夜
极昼与极夜是出现在南北两极地区的一种奇特的现象。极昼，就是太阳24小时都不落山，天空总是亮的，这种现象也叫白夜；极夜，正好与极昼相反，就是一天24小时也见不着太阳，天空总是黑的。两极地区这种神奇的自然现象是其他大洲所没有的。
极昼与极夜现象的出现是因为地球黄赤交角的存在，也就是地球赤道面与地球公转轨道面存在着23.5°的交角。因为黄赤交角，当地球在公转过程中北半球朝向太阳的时候，北极就会出现极昼。当北半球是夏至日的时候，整个北极圈都会处于极昼之中。此时南半球正好与此相反，处于极夜之中。
昼夜交替出现的时间是随着纬度的升高而改变的，纬度越高，极昼和极夜的时间就越长，纬度越低，极昼和极夜出现的时间就会越短。在南北两极的极点上，极昼与极夜出现的时间各为半年，也就是说，那里白天黑夜交替的时间是整整一年，一年中有半年是连续白天，半年是连续黑夜，那里的一天相当于其他大陆的一年。在极圈上，一年当中则仅有一天会出现极昼或极夜。
四季的变化
俗话说：春有百花夏有雨，秋有凉风冬有雪。一年当中之所以会出现这种四季的变化，是因为地球的公转和黄赤交角的存在。地球的自转轴与垂直于公转轨道面的轴线倾斜成大约23.5°的交角，这就使地球在公转过程中，太阳直射点会在地球的南北回归线之间产生有规律的移动，进而导致在回归年当中地球离太阳越近反而越冷，离太阳越远反而越热。
在一个回归年当中，人们发现每年1月初当地球靠近太阳的时候，北半球反而正值寒冬，而7月初北半球盛夏时节地球却正经过远日点。发生这种现象是因为太阳与地球之间的距离变化，但这只是使整个地球从太阳接受的总热量产生一些微小的差异，这一点差异并不足以造成地球上一年的季节变化。
事实是这样的：每年3月21日左右，阳光直射赤道，这时太阳在春分点，北半球为春季。此后，太阳直射点逐渐向赤道以北移动，北半球所得的热量逐渐增多。每年6月22日前后夏至时，太阳光直射北回归线，北半球接受太阳光最多，这时北半球便是夏季。到9月23日前后秋分时，太阳光直射赤道，此时南北半球接受太阳光相等，北半球便是秋季。秋分后，太阳光直射点移到南半球，到12月22日前后冬至时，太阳光直射南回归线，北半球接受太阳光最少，这时北半球便是冬季。地球不停地公转，春、夏、秋、冬四季便不断地交替出现。
四季变化在地球南北温带的地方比较显著，并且南半球的四季现象与北半球正好相反，当北半球是春季时南半球是秋季，北半球是夏季时南半球是冬季。
一年当中有春、夏、秋、冬四个季节，由这四季构成的一年，就是回归年，天文学家给它的定义是平太阳连续两次通过春分点的时间间隔。一年当中有24个节气，当北半球正值春分的时候，太阳直射点正好照射在赤道上。当太阳直射点第三次再照射到赤道的时候，正好是平太阳第二次通过春分点。这个周期为365.2422日，即365天5小时48分46秒，也就是一个回归年的长度。这是人们根据长期的天文观测得出的结果。如今人们通用的公历与中国传统的农历都是根据回归年来制定的。
四季的划分
关于四季的划分，不同地区有很大的差异。西方分别以春分、夏至、秋分、冬至作为春、夏、秋、冬四季的开始，而中国则习惯以立春、立夏、立秋、立冬作为四季的起点，把春分、夏至、秋分、冬至作为四季的中点。中国民间习惯以农历正月、二月、三月为春季，四月、五月、六月为夏季，七月、八月、九月为秋季，十月、十一月、十二月为冬季。气候统计上，因一般以1月为最冷，7月为最热，故以公历3、4、5月为春季，6、7、8月为夏季，9、10、11月为秋季，12月和次年1、2月为冬季。这种四季分法与四季分明的温带地区较为符合。
五带的划分
在同一个季节内，地球上除赤道以外，太阳辐射具有纬度分布的规律。地球获得的太阳辐射的热量随纬度的变化而变化，纬度越高，地球表面获得的热量就越少，纬度越低，地球表面获得的热量就越多。人们根据这个规律，粗略地将地球划分为五个热量带，这五个热量带分别为热带、北温带、南温带、北寒带、南寒带。其中，热带与南、北温带的分界线分别为南、北回归线，南、北温带与南、北寒带的分界线分别为南、北极圈。
热带的面积占全球总面积的39.8%。在回归线上，一年有一次太阳直射现象，其他热带地区，一年内有两次直射，而且，这里正午太阳高度终年较高，变化幅度不大，因此，这一地带终年能得到强烈的阳光照射，气候炎热。
由回归线到极圈范围内的南、北温带，是两个宽度最大，面积最广的纬度带，其面积占全球总面积的51.7%。温带范围内没有太阳光直射的机会，正午太阳高度每年在夏至日时最高，在冬至日时最低。昼夜长短的变化幅度，南、北温带随纬度的增加而显著地扩大。温带的四季变化最为明显，纬度愈高，冬夏温差愈大。
南、北寒带是两个圆形的高纬地带，它的面积最小，仅占全球总面积的8.5%。从天文特征来看，这里有极昼和极夜现象。除极点外，寒带其他地区都有昼夜分明的时期。即使在昼夜分明和极昼的日子，正午太阳高度也是很低的。寒带接受太阳光能最少，气温终年很低。