Nous venons de voir que la rotondité de la Terre induit des climats latitudinaux, l'obliquité induit les saisons et l'ellipticité influence le contraste été/hiver (contraste actuellement amplifié au Sud et atténué au Nord). De plus, suivant la loi de Képler dite loi des aires, la durée des saisons est inégale. En effet, pour l'hémisphère Nord, la période hivernale du 21 septembre au 21 mars environ dure 181 jours, alors que la période estivale dure 184 jours (du 21 mars au 21 septembre environ).

Mais les paramètres orbitaux de la Terre varient au cours du temps avec des périodicités multi-millénaires.

L'obliquité
ψ
de la Terre varie ainsi d'environ 24,50° à 22,04° avec une périodicité de l'ordre de 41 000 ans. Ceci induit, par exemple, de légères variations de l'écart maximum d'énergie entre les hémisphères aux solstices (l'hémisphère estival reçoit alors de 68,8 à 70,7 % de l'énergie solaire).

L'ellipticité est elle aussi variable. L'excentricité actuelle de la Terre est de 0,0167 ; lors des derniers millions d'années elle a varié de 0 à 0,06 avec des périodicités de 100 000 à 400 000 ans. Ceci induit des variations d'irradiance solaire entre périhélie et aphélie allant de 0 % à environ 26 %. Cela engendre donc des contrastes saisonniers plus ou moins importants pour les saisons proches de ces positions (actuellement l'été et l'hiver).

Si l'obliquité varie, l'orientation de l'axe de rotation varie aussi (il “tourne” autour de la perpendiculaire à l'écliptique). Cette rotation, dite précession des équinoxes, induit un changement de la position des équinoxes et des solstices sur l'orbite elliptique de la Terre. Le contraste saisonnier Nord/Sud est marqué pour l'été et l'hiver lorsque les solstices sont proches des positions de périhélie et d'aphélie, alors que ce contraste impacte printemps et automne lorsque ce sont les équinoxes qui sont proches de ces positions extrêmes. Ce lent déplacement s'effectue avec une périodicité proche de 26 000 ans.

Ces variations multiséculaires avec des périodicités de 20 à 400 milliers d'années ont été mises en évidence par M. Milankovitch car, en combinant leurs effets, elles expliquent les cycles glaciaires des derniers millions d'années. Les paramètres expliquant aujourd'hui les saisons sur Terre sont donc aussi importants pour comprendre les variations climatiques au cours des temps géologiques et plus précisément les glaciations/déglaciations successives du Quaternaire (de −2,5 Ma à aujourd'hui) [ref3, ref4, ref5].