空氣為什麼看不見？
― 不是看不見，只是沒有「界線」
小孩問你「空氣為什麼看不見？」，你有沒有一時答不上來？「因為太小了」只對了一半。空氣看不見的真正原因，是它不吸收光，也沒有能讓光反射的「界線」。而且其實，只要條件夠，空氣也能被看見。
風大的日子，空氣會打在臉上。搖扇子時，頭髮也會飄動。身體清楚知道空氣就在那裡。
但看向前方，卻什麼都沒有。房間裡的空氣加起來，其實重達數十公斤。
另一方面，裝了水的透明杯子，卻能清楚看見。水和玻璃都是透明的，為什麼只有空氣「看不見」呢？
看不見的理由，其實只有兩個
空氣中大部分的氮和氧，幾乎不吸收看得見的光。沒有被吸收的光，就不會產生顏色。光會直接穿過去。
透明的東西能被看見，是因為表面會讓一部分光稍微反射或彎折。空氣彼此連在一起，彼此之間沒有界線。
也就是說，「看不見」並不是眼睛在偷懶，而是空氣幾乎沒有傳到眼睛的線索。接下來依序來看。
不帶顏色，是因為光會直接穿過
東西有顏色，是因為吸收了一部分的光。例如葉子會吸收紅光和藍光，反射剩下的綠光。
氮和氧並不是完全不吸收光，只不過它們吸收的是像紫外線這類看不見的光。負責傳遞熱量的紅外線，部分則會被空氣中的水蒸氣和二氧化碳吸收。
剛好介於中間的「看得見的光」，幾乎能直接穿過空氣。所以空氣才不帶顏色。
有一種說法認為這並非偶然。生物的眼睛，據說是演化成能善用穿過空氣和水所傳來的光。我們稱之為「看得見的光」，其實原本就是不容易被空氣吸收的光。
我們看見的是「界線」，不是「東西」
如果只是沒有顏色，玻璃杯應該也看不見才對。但杯子卻看得見，原因就在第二點的「界線」。
光來到不同物質的界線時，一部分會反射，剩下的也會稍微改變前進方向。窗戶玻璃上能隱約映出自己的臉，就是這種反射。杯緣看起來扭曲，就是這種彎折。
反射的比例，取決於界線兩側「光前進的難易度」差多少。表示這種難易度的數值，叫做折射率。試試用圖1的滑桿改變這個差異。
在圖1中若設定為玻璃（折射率約1.5），反射的光約為4%。這4%正是告訴我們「那裡有玻璃」的線索。
然而空氣的折射率約為1.0003，和什麼都沒有的空間（正好是1）幾乎相同。空氣和空氣之間，本來就沒有差異。沒有界線，就不會發生反射或彎折。於是看的線索也就不存在了。
把玻璃棒沉進折射率和玻璃差不多的油裡，棒子幾乎就會看不見。一旦界線兩側的差異消失，玻璃也會變成和空氣一樣「看不見的東西」。可以透過下面的觀察來試試看。
不過，空氣有時候也「看得見」
空氣並不是完全看不見。在兩種情況下，空氣會顯露出它的樣子。
第一種，是把空氣疊得很厚的時候。空氣的分子，會把光稍微地往旁邊散射一點點，而且藍光特別容易被散射。疊1公尺完全看不出來，但疊到10公里厚時，大約一成的光會被散射掉。遠方的山看起來帶點藍、朦朦朧朧的，其實就是中間那層空氣本身被看見了。整片天空的藍色，也是同樣的原理（天空為什麼是藍色的）。
第二種，是空氣中出現溫度差的時候。溫暖的空氣，折射率會比冷空氣稍微小一點。夏天柏油路上景色搖晃的「熱浪」現象，就是這個微小的差異形成「界線」，把光線折彎所造成的。如果這個差異變得更大、範圍更廣，就會形成海市蜃樓。
總結
空氣看不見，是因為它不吸收看得見的光，也沒有能讓光反射的界線，並不是因為它太小。因此，只要疊到幾十公里厚，或是靠溫度差製造出界線，空氣也能被看見。
能看見東西，是因為光在「界線」上改變了方向。
沒有界線的空氣，只會以遠方山頭的藍色，顯露出它的樣子。
同樣是「明明透明卻看起來是白色」的話題，可以參考冰是透明的，雪為什麼是白色？這篇文章。那是界線太多的例子。
- 在透明的玻璃杯裡倒入約一半的沙拉油。若有耐熱玻璃小容器、玻璃棒或玻璃珠會更容易觀察。
- 把小玻璃物慢慢沉入油中，從側面觀察，並和放入水中的情況比較。在水中會看得很清楚，但在油中輪廓會變得模糊。
- 在晴天比較遠處的山或大樓。應該會發現越近的東西顏色越深，越遠的東西越呈現朦朧的藍白色。
由於玻璃種類不同，折射率會略有差異，所以有時不會完全消失。沙拉油的折射率約為1.47，一般玻璃則約為1.5。請使用廚房常見的油，並注意別打破玻璃。
想了解更多的人 ― 術語、公式、與教科書的連結從國中理化到大學專業科目，會明確標示屬於哪個程度
- 國中國中理化課會學到的範圍
- 高中高中「物理」課會學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或教科書專欄介紹的內容
- 大學高中不會教，屬於大學專業科目（光學、電磁學、大氣輻射）的內容
- 研究即使在大學也不會當作「定論」教授，是研究者目前還在調查中的內容
國中術語：這個現象是有名字的
- 光的反射與折射：光來到不同物質的界線時，一部分會反射，剩下的則改變方向繼續前進（折射）。國中一年級的理化課會學到。
- 折射率：表示光在該物質中前進的速度，相較於什麼都沒有的空間慢多少的數值。空氣約為1.0003，水約為1.33，玻璃約為1.5，鑽石約為2.42。
- 吸收：物質接收了光的能量。被吸收的顏色會缺少，所以物體才會帶有顏色。
國中高中用公式驗證：界線反射的光，到底有多少？
光垂直打在界線上時，反射的比例只由兩側的折射率決定。來比較一下玻璃和空氣的界線。
| 用符號寫出來 | R ＝ ( (n₁ − n₂) ÷ (n₁ + n₂) )² |
| 用文字寫出來 | 反射的比例 ＝「折射率的差 ÷ 折射率的和」的平方 |
| 這個公式從何而來 | 光是電與磁的波。界線兩側的電場和磁場大小必須連續銜接，這個條件便推導出此式（是菲涅耳方程式只考慮垂直入射時的情形） |
符號說明：R 是反射光所佔的比例（無單位，0.04即代表4%），n₁ 與 n₂ 分別是界線兩側的折射率（無單位）。
| 玻璃的折射率 | 約1.5 |
| 空氣的折射率 | 約1.0003（與什麼都沒有的空間相差0.0003） |
| 海平面附近空氣對綠光散射的大致程度 | 前進約85公里後，據說會減弱到不足四成 |
| 玻璃：折射率的差 | 1.5 − 1 ＝ 0.5 |
| 玻璃：折射率的和 | 1.5 + 1 ＝ 2.5 |
| 差 ÷ 和 | 0.5 ÷ 2.5 ＝ 0.2 |
| 平方後得到反射比例 | 0.2 × 0.2 ＝ 0.04 |
| 空氣：差 ÷ 和（和幾乎是2） | 0.0003 ÷ 2 ＝ 0.00015 |
| 平方後得到反射比例 | 0.00015 × 0.00015 ＝ 0.0000000225 |
| 玻璃的反射量是空氣的幾倍 | 0.04 ÷ 0.0000000225 ≒ 1780000 |
| 10公里空氣散射掉的比例大約是 | 10 ÷ 85 ≒ 0.12 |
玻璃表面會反射4%的光。空氣與真空的界線，只會反射大約一億分之二。兩者差了大約180萬倍。實際上空氣中甚至沒有空氣與真空的界線，由溫度差所形成的界線反射量更是微乎其微。另一方面，穿過10公里的空氣，大約一成的光會被橫向散射。可以用數字確認，空氣是「在界線上看不見，但疊夠量就看得見」的。
高中高中＋為什麼「界線」會讓光改變方向
高中折射率是光速的比值。在玻璃中，光大約以真空中速度的三分之二前進。速度不同的界線上，波的方向會改變，這就是折射，其關係可用司乃耳定律表示。熱浪現象，是因為空氣溫度不同，折射率會稍微改變，光的路徑因而逐漸彎曲所造成的。
高中＋空氣中藍光容易被散射的現象，稱為雷利散射。散射強度與光的波長的四次方成反比。藍光（波長約450奈米）據說比紅光（約700奈米）強4到6倍左右被散射。遠處景色呈現藍色朦朧感的現象，在繪畫中被稱為「空氣遠近法」。
大學折射率是由物質中的電子決定的
光穿過物質時，其電場會搖動物質中的電子。被搖動的電子會發出新的光，和原本的光重疊，使表面上的速度變慢。這就是折射率的真正本質。折射率減去1的值，大致和分子的數量密度成正比。空氣的密度只有水的約八百分之一，這就是空氣與真空折射率差幾乎為零的原因。在遠離電子吸收光的共振位置（氮和氧的共振位置在紫外線區域）的波長上，幾乎不會發生吸收，物質因而呈透明。這種想法在電磁學、光學中以勞倫茲模型與色散理論學習。界線上的反射比例，則由邊界條件推導出的菲涅耳方程式給出。
📖 公式推導與更深入的內容：菲涅耳方程式（日文維基百科） ／ 雷利散射（日文維基百科）
研究目前還不完全清楚的事
- 眼睛為什麼具有「看得見的光」範圍。 一般認為，這是因為這個範圍剛好和容易穿過空氣與水的光、以及太陽光最強的波長重疊。不過究竟哪個因素影響較大，目前仍有討論。
- 遠方的視野與空氣中的微小顆粒。 實際的空氣中混有水滴、灰塵等微小顆粒，視野清晰度主要受這些影響。其數量與可見度之間的關係，至今仍依地區與季節持續觀測中。
- 熱浪搖晃的細微形狀。 溫度差形成渦流移動的情形相當複雜。這種現象會造成望遠鏡影像晃動，稱為「大氣擾動」，天文學界正持續研究如何校正。
也就是說，本文的內容也是「目前所知範圍內的說明」。空氣本身是透明的，這點是確定的，但能看到多遠，還會受到空氣以外因素的影響。
與教科書的連結（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 本文對應位置 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化一年級「光的反射・折射」 | 透明物體看得見的理由、界線 |
| 高中 | 物理「波的性質（折射率・司乃耳定律）」 | 折射率、熱浪 |
| 高中＋ | 物理進階「光的散射」 | 遠方山頭呈藍色的理由 |
| 大學 | 電磁學・光學（菲涅耳方程式、色散） | 折射率的本質、反射比例 |
| 研究 | 視覺的演化、大氣擾動 | 研究章節 |
| ― | 與生活的連結 | 窗戶玻璃的映像、遠方景色的朦朧感、夏天的熱浪 |
- 菲涅耳方程式 ― 日文維基百科
- 雷利散射 ― 日文維基百科
- Hecht『光學』（丸善）― 折射率、反射、散射的標準教科書
- 國立天文台 編『理科年表』（丸善出版）― 空氣、水、玻璃的折射率
- Bohren, C. F. & Clothiaux, E. E., Fundamentals of Atmospheric Radiation (Wiley-VCH, 2006)
※本文為一般大眾取向的科學解說。文中數值為理解原理所用的參考估算值。折射率與散射程度，會因光的顏色、溫度、濕度而略有不同。進行玻璃或油的觀察實驗時，請留意破損與用火安全。