太阳在头顶正上方需要人刚好在太阳直射地点，即太阳照射角度为90°，而太阳直射地球位置随一年四季在南北回归线间变化。
地球在围绕太阳公转时，地轴（地球自转轴）与黄道面（公转轨道平面）永远保持66°34′ 南北回归线的交角。也就是说，地球总是斜着身子在绕着太阳旋转。这样，地球有时是北半球倾向太阳，有时又是南半球倾向太阳，因而太阳光直射地球的位置会随时间而发生南北的移动。到夏至这一天，太阳光直射北纬23°26′的纬线上。过了夏至，太阳光逐渐南移，北半球受太阳照射的时间逐渐减少。北纬23°26′的纬线是太阳光在北半球上直射点的最北界限，因此把这条纬线称为北回归线。冬至时太阳光直射在南纬23°26′的纬线上，冬至过后，太阳光又开始逐渐北移，到夏至时，再次直射北回归线。南纬23°26′的纬线则是太阳光在南半球上直射点的最南界限，把这条纬线称为南回归线。
所以如果你处于南北回归线之间，一年中总有一段时间，中午太阳会在头顶，比如你若在北纬23°26′上，那么夏至当天中午太阳就会刚好在头顶上了；如果你不在南北回归线之间，则永远无法看到太阳在头顶：假如你在上海，那么夏天时候太阳直射北半球，照射你角度比较大，你会看到太阳比较靠近头顶，影子也比较短，而冬天时候太阳直射南半球，照射你角度比较小，你会看到太阳相对远离头顶，影子也比较长。
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