Kiedy spoglądamy w nocne, rozgwieżdżone niebo wydaje nam się, że przykrywa nas coś w rodzaju wklęsłej czaszy. Ta istniejąca tylko w wyobraźni obserwatora powierzchnia kuli, w której centrum znajduje się Ziemia to sfera niebieska. Mimo, że nie istnieje, jej koncepcja jest pomocna w określaniu położenia ciał niebieskich względem Ziemi, oczywiście bez uwzględniania ich odległości. Najwyższy punkt na sferze niebieskiej znajdujący się pionowo nad obserwatorem to zenit. Z kolei kolista linia, będąca miejscem połączenia sfery niebieskiej i powierzchni Ziemi nosi nazwę widnokręgu lub horyzontu.
Ruch obrotowy Ziemi powoduje, że sfera niebieska wykonuje obrót w ciągu doby. Możemy dzięki temu wyznaczyć dobowe tory ciał niebieskich na sferze niebieskiej. Jeśli tory te przecinają linię horyzontu mówimy, że ciała te wschodzą i zachodzą. Ze wschodem ciała niebieskiego mamy do czynienia wtedy, gdy wynurza się ono spod widnokręgu, stając się widoczne na sferze niebieskiej. Zachód ciała niebieskiego ma miejsce wtedy, gdy chowa się ono pod horyzont. Po wschodzie ciało niebieskie wznosi się coraz wyżej nad horyzontem, jednocześnie pozornie przemieszczając się wzdłuż niego w kierunku zachodnim. Wysokość ciała niebieskiego nad horyzontem wzrasta aż do momentu jego górowania, a potem zmniejsza się aż do zachodu tego ciała. Niektóre ciała położone blisko zenitu (np. Gwiazda Polarna) nie zachodzą. O innych zaś, np. o niewidocznych obecnie na nocnym niebie Europy gwiazdach tworzących gwiazdozbiór Krzyża Południa mówimy, że nie wschodzą.
Najjaśniejszym obiektem na sferze niebieskiej jest nasza gwiazda dzienna – Słońce. Na skutek ruchu obrotowego Ziemi obserwujemy pozorny (widomy) ruch dobowy Słońca na sferze niebieskiej. W trakcie tego ruchu Słońce wschodzi i zachodzi, czego efektem jest następstwo dnia i nocy. Dzień to część doby od wschodu do zachodu Słońca; Słońce znajduje się wtedy nad linią horyzontu. Jego położenie w momencie górowania wyznacza połowę dnia, a w szerokościach pozazwrotnikowych półkuli północnej wskazuje też południowy kierunek geograficzny. Czasami w języku potocznym pojęcia dzień i doba traktujemy zamiennie.
 |
| Gwiazdozbiory nieba północnego (źródło: wikimedia.org) |
Noc to część doby od zachodu do wschodu Słońca i kiedy znajduje się ono pod linią horyzontu. Jako części nocy możemy więc traktować zmierzch i świt. Zmierzch to okres, w którym Słońce zaszło już za horyzont, lecz jest niedaleko pod nim, skutkiem czego nie zapadł jeszcze całkowity mrok. Świt to okres, w którym Słońce jeszcze nie wzeszło, lecz znajduje się już na tyle blisko pod linią horyzontu, że jego światło prześlizgując się po krzywiźnie kuli ziemskiej zaczyna już rozpraszać zmrok.
Długość dnia i nocy oraz tor pozornego ruchu Słońca nad horyzontem zależy od szerokości geograficznej i pory roku. W szerokościach umiarkowanych półkuli północnej w momencie równonocy Słońce wschodzi dokładnie na wschodzie, a zachodzi dokładnie na zachodzie. Dzień i noc trwają po 12 godzin. Wysokość Słońca nad horyzontem w momencie górowania (południa słonecznego) ma wartość pośrednia w porównaniu z przesileniem letnim i zimowym. W momencie przesilenia zimowego Słońce wschodzi na południowym wschodzie i zachodzi na południowym zachodzie. Noc jest dłuższa od dnia (najdłuższa w roku), a wysokość Słońca nad horyzontem w momencie południa słonecznego ma najniższą możliwą dla tej szerokości geograficznej wartość. W momencie przesilenia letniego Słońce wschodzi na północnym wschodzie i zachodzi na północnym zachodzie. Dzień jest dłuższy od nocy (najdłuższy w roku), a wysokość Słońca nad horyzontem w momencie południa słonecznego ma najwyższą możliwą na tej szerokości geograficznej wartość.
Wysokość Słońca w momencie górowania (południa), gdy Słońce góruje na południe od zenitu (w Polsce zawsze i wszędzie) można obliczyć wzorem:
h Słońca = 90° – φ (phi) + δ (delta)
gdzie:
h Słońca - wysokość kątowa Słońca
φ – szerokość geograficzna miejsca
δ – deklinacja słoneczna, czyli kąt płaski pomiędzy płaszczyzną równika a kierunkiem na Słońce, zmienia się w przebiegu rocznym w zakresie od δ = -23°27’ w momencie przesilenia zimowego, przez 0° w momencie równonocy wiosennej i jesiennej, do δ = +23°27’ w momencie przesilenia letniego.