1. L’asse di rotazione della Terra è inclinata di 23,5 gradi rispetto al piano eclittico (piano dell’orbita)
2. Per effetto della rotazione, la direzione dell’asse terrestre rimane invariata durante tutto il percorso: la Terra si comporta come una trottola (fig. 2).
3. Il movimento della Terra attorno al sole causa le stagioni e la variazione dell’altezza del sole sopra l’orizzonte.

Questi angoli si possono misurare in modo rudimentale con il proprio corpo. State in piedi guardando il sole con un braccio teso verso lo stesso e l’altro in direzione sud. Ora lasciate scendere il primo braccio in modo che punti all’orizzonte esattamente sotto il sole. L’angolo formato dalla discesa del primo braccio è l’altezza solare e l’angolo tra le due braccia nella posizione finale è l’azimut. Bisogna considerare che 10° nel cielo corrispondono più o meno alla larghezza di una mano a braccio teso.

L’altezza e l’azimut solare possono essere calcolati per ogni giorno, ora e latitudine. È da notare che l’angolo azimutale a mezzogiorno è sempre zero (f = 0) e che l’altezza varia secondo la latitudine nella quale vi trovate.

Ad una latitudine nord di 42° (più o meno corrispondente al parallelo di Roma), nei giorni d’equinozio, l’altezza del sole a mezzogiorno è di 48° (= 90° - 42°). Nel giorno del solstizio d’estate, quando il sole si trova sopra il Tropico del Cancro, bisogna sommare ai 48° altri 23,5° e si ottiene l’altezza di 71,5° (= 90 – 42° + 23,5°)-. Nel giorno del solstizio d’inverno, quando il sole si trova sopra il Tropico del Capricorno, bisogna detrarre 23,5° dai 48° e si ottiene l’altezza di è 24,5° (= 90 – 42 – 23,5). La figura 5 illustra graficamente la derivazione della formula per il calcolo dell’angolo dell’altezza del sole sopra l’orizzonte.

Radiazione globale, diretta e diffusa la radiazione che un metro quadrato di una superficie orizzontale riceve è detta radiazione globale che include la radiazione diretta e quella diffusa (figura 6).
La radiazione diretta è quella che giunge direttamente dal sole, mentre la radiazione diffusa è quella riflessa dal cielo, dalle nuvole e da superfici riflettenti.
La radiazione diretta si ha quindi solo quando il sole è visibile. L’intensità (potenza) della radiazione globale viene misurata con uno strumento detto piranometro o solarimetro ed è riferita all’unità d’area. L’unità di misura è quindi W/m² o kW/m².

In Italia, in una bella giornata, la radiazione globale può raggiungere un'intensità di 900-1200 W/m². La radiazione diffusa oscilla invece tra 0 e 250-300 W/m². La radiazione diffusa rappresenta in Italia circa il 25% della radiazione globale. Quando il cielo è densamente coperto, all’imbrunire, l’intensità della radiazione non supera i 50-100 W/m².

La media annuale degli apporti solari di 4,7 kWh/m², ma gli apporti variano notevolmente con le stagioni: in Sicilia, lungo il litorale sud, gli apporti medi giornalieri passano da 2,0 kWh/m² in dicembre a 7,2 kWh/m² in luglio.

Le figure da 8 a 13 dimostrano alcuni esempi dell’andamento giornaliero dell’intensità della radiazione globale in estate, in inverno e nella mezza stagione, per un giorno con cielo sereno (privo di nuvolosità) e per un giorno di nuvolosità.

La figura 7 dimostra la mappa del mondo degli apporti solari. Le curve collegano i luoghi che ricevono la stessa quantità d’energia solare (misurata su un’area orizzontale). Si può notare che gli apporti energetici aumentano man mano che ci si sposta verso Sud. I valori annuali per i paesi dell’Europa centrale sono compresi tra 1.000 e 1.100 kWh/m², mentre quelli riferiti ai paesi mediterranei variano da 1.500 e 1.950 kWh/m². Valori superiori ai 2.000 kWh/m² vengono registrati solo in poche regioni del mondo.

La radiazione diretta, preponderante rispetto alla diffusa in condizioni di cielo sereno, tende a ridursi all’aumentare dell’umidità e della nuvolosità presente nell’aria, fino ad annullarsi in condizioni di cielo completamente coperto.

Il vento è il movimento dell’aria dell’atmosfera. Il sole riscalda la superficie terrestre e anche l’aria sovrastante. L’aria calda sale in alto perché più leggera di quella fredda e viene sostituita da aria meno calda. Si generano così zone di alta e di bassa pressione.

Il vento non è altro che aria in spostamento da una zona di alta ad una di bassa pressione. L’energia solare genera anche il ciclo delle acque. Le acque superficiali - mari, laghi e fiumi - si riscaldano sotto l’effetto della radiazione solare e l’acqua evaporata va a formare le nuvole. Quando le nuvole hanno assunto sufficiente vapore e sono sature, l’acqua torna sulla superficie terrestre sotto forma di pioggia e di neve. La forza gravitazionale fa poi scorrere l’acqua dalle montagne fino al mare, dopo di che ricomincia il ciclo.

Senza l’energia solare, le piante (biomassa) non crescerebbero. Per crescere sintetizzano glucosio partendo da acqua e biossido di carbonio (CO₂) in un processo chiamato "fotosintesi" che funziona solo in presenza di luce la quale fornisce l’energia necessaria. Dalle biomasse derivano anche il carbone, il petrolio e il gas naturale, oggi le fonti energetiche più usate. Il carbonio si è creato nel corso di alcuni milioni di anni dai resti di piante e foreste sommerse e il petrolio e il gas naturale si sono formati dalla decomposizione di microrganismi negli oceani di una volta.