冬至日，太陽直射點到達一年中最南端的位置，即南回歸線，此時，太陽光線對北半球各地最為傾斜，導致北半球的白晝時間最短、夜晚時間最長。冬至日正午時分太陽的高度角，即太陽光線與地面之間的最小夾角，可以通過以下公式計算得出：
正午太陽高度角 = 90° - (當地緯度 + 太陽赤緯)
其中，當地緯度是觀測地點相對於赤道的緯度，太陽赤緯是冬至時太陽在軌道上的位置相對於赤道的角度。不同地區的正午太陽高度角如下：
在上海（北緯31°），冬至日正午太陽高度角為35.5°。
在北京（北緯40°），冬至日正午太陽高度角為26.5°。
在菏澤（北緯35°），冬至日正午太陽高度角約為30.41°至35.55°。
這些角度表明，在冬至期間，太陽光線對北半球各地的影響較小，導致白晝時間短且陽光角度低。