B.C. 270년 아리스타르코스는 지구가 자전하면서 다른 행성과 마찬가지로 태양의 주위를 공전한다는 지동설을 처음으로 주장하였다. 16세기에는 코페르니쿠스와 케플러가 다시 지동설을 제창하였으나 당시의 관측 기기로는 지구 공전을 정확히 증명하지 못하였다.
지구 공전
태양이 황도 위를 매일 1도씩 공전하는 태양의 연주 운동이나 계절에 따라 별자리가 달라지는 현상은 잘 알려져있지만 이것이 지구의 공전을 증명하는 것은 아니다.
기차를 타고 갈때 가까이에 있는 물체는 먼 거리에 있는 물체에 대해 진행 방향과는 반대 방향으로 움직이는 것처럼 보인다. 만약 지구가 공전한다면 가까운 별은 멀리 있는 별들을 배경으로 천구상에서 1년 동안에 일정한 운동을 하는 것처럼 보일 것이다.
지구의 공전에 따라서 나타나는 별들의 겉보기 운동을 별의 시차운동이라고 하며, 지구 공전 궤도의 양쪽 끝2와 4에서 별 S를 바라보는 각도의 1/2을 연주시차라고 한다. 이러한 별의 연주시차는 지구 공전의 증거가 된다.
1838년 베셀은 백조자리 61번 별의 연주 시차가 0.3도임을 발표하였고, 그 후 많은 연주 시차가 발견되었다. 현재 가장 가까운 별은 센타우루스자리의 프록시마로, 연주 시차는 0.764도 이고, 거리는 27000AU임이 밝혀졌다.
지구가 공전하고 있다는 또 다른 증거는 별의 시선 속도를 측정하여 일년 동안의 변화를 비교해 보는 것이다. 도플러 효과와 별빛의 스펙트럼 그림과 같이 지구의 공전 궤도면상에서 별의 스펙트럼을 관측하면 도플러 효과에 의해 지국가 A에 있을 때는 별빛의 파장이 길어지고, 지구가 B에 있을 때는 별빛의 파장이 짧아지게 된다.
계절의 변화
옛날 사람들은 태양의 고도가 높아지면 더워지고, 낮아지면 추워진다는 것을 알았다. 세종 때 만든 해시계는 시간뿐만 아니라 태양의 남중 고도에 따라 절기를 나타내어 춘분이 언제쯤 돌아올지, 또한 하지가 언제쯤 돌아올지를 쉽게 알 수 있게 고안된 것으로, 자연 현상의지속적인 관찰을 통해 그 주기성 또는 규칙성을 찾아낸 것이다.
일조 시간은 태양의 일주권이 지평선 위에 있는 시간이며, 이 때 태양의 고도는 해가 뜬 후 점점 높아져서 남중할 때 최대가 되고, 그 후 차츰 감소한다. 이것은 하룻동안의 기온 변화의 원인이 되니다.
계절에 따른 온도 변화는 태양의 일조 시간과 남중 고도에 따라 결정되는데, 이 두 가지는 황도상에서 태양의 위치와 관측자의 위도에 관계 된다. 태양의 남중 고도의 변화는 우리가 보는 겉보기 운동일 뿐, 실제로는 지구의 적도면이 황도면과 23.5도 기울어진 채로 지구가 태양을 공전함으로써 생기는 것이다.
태양의 고도가 변하면 지표면에 도달하는 태양 복사 에너지의 양도 변한다. 따라서, 지구의 적도면이 황도면, 즉 지구 공전 궤도면에 대하여 23.5도 기울어져서 1년을 주기로 태양둘레를 공전하고 있기 때문에 계절의 변화가 생기는 것이다.
지구의 공전 궤도는 타원이지만 태양에 가장 가깝게 접근하는 근일점과 가장 멀리 떨어진 원일점의 거리 차이는 매우 작기 때문에 계절 변화에 별다른 영향을 못미치며, 실제로 지구가 근일점에 있을 때 북반구는 겨울에 해당한다.