Halk arasında zaman zaman "en uzun gün" ifadesiyle karıştırılsa da, bilimsel olarak bu tarih gündüz süresinin en kısa, gece süresinin ise en uzun olduğu gündür. Bu durumun temel nedeni Dünya’nın Güneş etrafındaki hareketi ve eksen eğikliğidir.
Dünya, Güneş’in etrafında dönerken ekseni yaklaşık 23,5 derece eğik bir şekilde konumlanmıştır. Bu eğiklik, yıl boyunca Güneş ışınlarının Dünya yüzeyine farklı açılarla düşmesine yol açar. Sonuç olarak mevsimler oluşur ve gündüz–gece süreleri yıl içinde değişkenlik gösterir. 21 Aralık, bu döngünün en belirgin kırılma noktalarından biridir.
Bu tarihte Güneş ışınları Oğlak Dönencesi’ne (23°27′ güney enlemi) dik açıyla düşer. Kuzey Yarımküre, Güneş’e en uzak ve en eğik konumda kaldığı için güneşlenme süresi minimuma iner. Türkiye gibi Kuzey Yarımküre’de yer alan ülkelerde bu nedenle günler en kısa, geceler ise en uzun hâlini alır.
21 Aralık aynı zamanda astronomide “kış gündönümü” olarak adlandırılır. Bu gündönümü, Kuzey Yarımküre’de kış mevsiminin başlangıcını simgelerken, Güney Yarımküre’de yaz mevsiminin başlangıcını ifade eder. Yani aynı tarih, dünyanın farklı bölgelerinde tamamen zıt mevsimsel anlamlar taşır.
Bu olay yalnızca gündüz ve gece sürelerini değil, sıcaklık algısını da etkiler. Güneş ışınlarının daha eğik gelmesi, birim alana düşen enerji miktarını azaltır. Bu da 21 Aralık sonrasında soğuk havaların daha belirgin hissedilmesine neden olur. Ancak en soğuk günlerin genellikle ocak ve şubat aylarında yaşanması, yeryüzünün geç ısınıp geç soğumasıyla açıklanır.
21 Aralık’tan sonra Kuzey Yarımküre’de gündüz süreleri yavaş yavaş uzamaya başlar. Bu uzama ilk günlerde birkaç dakika ile sınırlı olsa da, özellikle mart ayına yaklaşıldıkça daha belirgin hâle gelir. Bu durum, baharın yaklaşmasının da astronomik bir göstergesi olarak kabul edilir.
