지구 자전과 해의 일주 운동
지구는 서쪽에서 동쪽으로 약 1,670km/h의 속도로 자전하고 있다. 이 자전 운동 때문에 지구 표면에 서 있는 관측자에게는 태양이 동쪽에서 떠서 서쪽으로 지는 것처럼 보인다. 실제로 태양은 정지해 있지만, 지구가 움직이기 때문에 상대적으로 태양이 움직이는 것처럼 인지되는 현상이다. 자전 주기는 약 23시간 56분 4초로, 이 때문에 매일 해가 뜨고 지는 시각이 약 4분씩 달라진다.
"북극에서 관찰하면 지구는 시계 반대 방향으로 자전합니다. 이 때문에 태양이 동쪽에서 떠서 서쪽으로 지는 것처럼 보이죠. 만약 지구가 자전하지 않았다면 한쪽은 영원한 낮, 다른 쪽은 영원한 밤이 될 것입니다."
자전축 기울기와 계절별 변화
지구는 공전 궤도면에 대해 23.5도 기울어진 상태로 자전한다. 이 기울기 때문에 계절에 따라 해가 뜨고 지는 위치와 시각이 달라진다. 여름철에는 북반구가 태양 쪽으로 기울어져 해가 더 일찍 떠서 더 늦게 지며, 겨울철에는 반대 현상이 발생한다. 춘분과 추분에는 지구의 자전축이 태양과 정확히 수직을 이루어 해가 정확히 동쪽에서 떠서 서쪽으로 진다.
자전축의 기울기는 태양의 남중 고도(하루 중 태양이 가장 높이 올라갔을 때의 각도)에도 영향을 미친다. 남중 고도가 높은 여름에는 태양이 하늘을 길게 이동하므로 낮이 길어지고, 남중 고도가 낮은 겨울에는 짧은 낮을 경험하게 된다.
대기 굴절 효과와 시각 변화
지구 대기층은 태양 빛을 굴절시키는 역할을 한다. 이로 인해 실제 태양이 지평선 아래에 있을 때도 빛이 굴절되어 우리 눈에 보이게 된다. 대기 굴절 효과는 해가 실제 위치보다 약 0.5도 위에 있는 것처럼 보이게 하며, 이 때문에 해돋이 시각이 약 2분 빨라지고 해넘이 시각이 약 2분 늦어지는 현상이 발생한다.
"대기 굴절은 특히 해돋이와 해넘이 때 두드러집니다. 실제로 태양이 지평선 아래 있을 때도 빛이 대기를 통과하며 휘어지기 때문에 우리는 태양을 볼 수 있죠. 이 효과가 없었다면 낮의 길이는 현재보다 약 4분 더 짧아질 것입니다."
공전 운동과 장기적 변화
지구가 태양 주위를 타원 궤도로 공전하는 것도 해가 뜨고 지는 시각에 영향을 미친다. 근일점(1월 초 태양과 가장 가까울 때)에는 공전 속도가 빨라져 하루 길이가 약간 짧아지고, 원일점(7월 초 태양과 가장 멀 때)에는 반대 현상이 일어난다. 이 차이는 약 30초 정도지만, 1년 동안 누적되면 상당한 차이를 만들어낸다.
지구 자전축의 기울기(세차 운동)도 약 26,000년 주기로 서서히 변화하며 장기적으로 해가 뜨고 지는 위치에 영향을 준다. 현재 북극성으로 알려진 폴라리스도 약 12,000년 후에는 베가가 그 자리를 대체할 예정이다.