你以为空气是透明的？错了！它其实有各种颜色和形状！

你可能觉得这个标题很奇怪，毕竟我们从小就学过空气是无色无味无形的，我们看到的天空、云彩、山川、建筑都是透过空气看到的。那么空气为什么不是透明的呢？这里面有什么奥秘吗？

其实这个问题并不简单，要回答它我们需要从两个方面来考虑：一个是物理学上的解释，一个是生物学上的解释。

物理学上的解释

我们知道光是一种电磁波，在真空中可以无限制地传播，在其他介质中则会受到一定程度的吸收或散射。吸收就是指介质中的原子或分子会吸收光波的能量，并使其发生能级跃迁或振动；散射就是指介质中存在不均匀性或界面时会使光波改变方向或强度。

那么空气中有没有这样的原子或分子呢？答案是有的。空气中主要由氮气和氧气组成，还有少量的二氧化碳、水蒸汽、惰性气体等。这些原子或分子都有可能与光波发生相互作用。但为什么我们看不出来呢？

这里有两个原因：一个是空气中原子或分子对可见光（即人眼能够感知到的光波）几乎没有吸收作用；另一个是空气中原子或分子非常稀疏，并且没有明显的界面。

第一个原因，原子或分子对光波是否有吸收作用取决于它们本身的电子结构。只有当光波的能量与电子跃迁所需能量相匹配时才会发生吸收现象。而可见光波长在400-700纳米之间（纳米是十亿分之一米），对应着能量在3-1.8电子伏特之间（电子伏特是一种能量单位）。而空气中原子或分子对这个范围内的能量几乎没有响应。

为什么呢？这与它们本身属于稳定性较高、价电子较少、共价键较强、离域电子较少、共轭体系较少等因素有关。简单地说，就是它们不容易被激发或激发需要更高能量才行。

如果换成其他波长或能量范围内的光波呢？比如紫外线、红外线、X射线等等呢？

事实上，在这些范围内，空气中原子或分子就会表现出不同程度的吸收或散射作用。比如，空气中的氧气会吸收一部分紫外线，这就形成了我们所说的臭氧层，保护我们免受紫外线的伤害；空气中的水蒸汽会吸收一部分红外线，这就形成了我们所说的温室效应，使地球表面温度适宜生命存在；空气中的原子或分子也会散射一部分X射线，这就使得我们在地面上接触到的X射线辐射很小，不至于对人体造成危害。

所以，空气对可见光几乎没有吸收作用，但对其他波长或能量范围内的光波就有不同程度的吸收作用。这就意味着，如果我们能够看到这些光波，我们就不会觉得空气是透明的了。比如，如果我们能够看到紫外线，我们就会发现天空是紫色的；如果我们能够看到红外线，我们就会发现空气是灰色的；如果我们能够看到X射线，我们就会发现空气是黑色的。

我们为什么不能看到这些光波呢？这就涉及到了第二个方面：生物学上的解释

我们知道，人类和其他动物都是通过眼睛来感知光线的。眼睛里有一种叫做视网膜的组织，它上面有很多感光细胞。这些感光细胞分为两种：一种叫做视锥细胞，它可以感知不同颜色的光线；另一种叫做视杆细胞，它可以感知光线的强弱。

视锥细胞又分为三种：一种对红色光敏感，一种对绿色光敏感，一种对蓝色光敏感。当不同颜色的光线刺激视锥细胞时，它们就会产生不同程度的电信号，并传递给大脑。大脑根据这些信号来判断我们看到的颜色。

为什么视锥细胞只能感知红、绿、蓝三种颜色呢？这是因为视锥细胞里有一种叫做视紫质的蛋白质，它可以吸收特定波长或能量范围内的光波，并使视锥细胞产生电信号。而这三种视紫质吸收光波的范围恰好与可见光波长相匹配。

为什么视紫质只能吸收可见光呢？

这是因为视紫质是由一种叫做视黄醇的物质和一种叫做蛋白质骨架的物质组成的。而视黄醇本身是由维生素A合成的。而维生素A本身是由动物从食物中摄取或合成的。而食物中含有维生素A或其前体（比如β-胡萝卜素）的物质都是由植物通过光合作用产生的。而植物进行光合作用所需要的光线就是可见光。所以，视紫质只能吸收可见光，是因为它是由植物通过光合作用产生的物质的衍生物。

所以，我们能够看到可见光，是因为我们的眼睛是通过进化适应了地球上的光照条件而形成的。而地球上的光照条件，又是由太阳的辐射和空气的吸收所决定的。太阳的辐射主要集中在可见光范围内，而空气对可见光几乎没有吸收作用。这就使得可见光成为了地球表面最丰富、最有效、最适合生命利用的光源。

空气对我们来说是透明的，是因为我们是在空气中生活和进化的生物，我们的眼睛只能看到空气中能够传播的光线。如果我们换一个角度或者换一个环境来看，空气就不一定是透明的了。

比如，如果我们站在月球上看地球，我们就会发现地球并不是一个完美的圆形，而是有一层模糊的大气层包裹着。这个大气层就是由空气组成的，它会散射太阳光，使得地球呈现出不同的颜色。比如，在日落时分，地球会呈现出红色或橙色；在白天，地球会呈现出蓝色或绿色；在夜晚，地球会呈现出灰色或黑色。这些颜色都是由空气对不同波长或能量范围内的光波的散射作用造成的。

比如，如果我们穿上特殊的眼镜或者使用特殊的仪器来看空气，我们就会发现空气并不是一片均匀无色的东西，而是有很多不同颜色和形状的东西存在。这些东西就是空气中的各种原子、分子、离子、自由基、微粒等等。它们都有自己特定的吸收或散射光谱，使得它们在特定波长或能量范围内呈现出不同颜色。比如，在紫外线下，空气中的臭氧会呈现出紫色；在红外线下，空气中的水蒸汽会呈现出灰色；在X射线下，空气中的原子或分子会呈现出黑色。

所以，空气其实不是透明的，它只是对我们人类来说是透明的。这是因为我们人类只能看到可见光，而空气对可见光几乎没有吸收或散射作用。但如果我们换一个角度或者换一个环境来看，我们就会发现空气其实有很多不同颜色和形状。