Warum fliegen Flugzeuge so hoch?

Der aerodynamische Widerstand ist proportional zur Luftdichte, und die Dichte nimmt mit der Höhe schnell ab. In 11 km (36.000 ft) Höhe ist die Luft etwa 30 Prozent so dicht wie auf Meereshöhe, in 12 km etwa ein Viertel. Ein Flugzeug, das mit derselben wahren Fluggeschwindigkeit fliegt, trifft daher nur auf einen Bruchteil des Widerstands, dem es in niedriger Höhe ausgesetzt wäre, und die Triebwerke können entsprechend gedrosselt werden. Strahltriebwerke bevorzugen außerdem kalte, dünne Luft: Ihr Schub sinkt mit der Höhe, aber auch ihr Treibstoffverbrauch pro Einheit Schub sinkt, und die Turbine läuft nahe der Tropopause am nächsten an ihrem Auslegungspunkt. Diese Kombination ist der Grund, warum eine Boeing 787 oder ein Airbus A350 typischerweise in 11 bis 13 km (35.000-43.000 ft) Höhe fliegt und warum ein Langstreckenflug stufenweise steigt, während er Treibstoff verbraucht und leichter wird.

Die Schallgeschwindigkeit sinkt mit der Temperatur und liegt in Reiseflughöhe bei etwa 295 m/s (1.062 km/h). Verkehrsflugzeuge fliegen mit Mach 0,78 bis 0,85, knapp unterhalb des Punkts, an dem Stoßwellen am Flügel den Widerstand stark erhöhen würden. Die kalte Luft bestimmt also sowohl die effiziente Flughöhe als auch die praktische Geschwindigkeit.

Die meisten Wolken, Niederschläge und Turbulenzen befinden sich in der unteren Troposphäre. Oberhalb von 10 km fliegt ein Flugzeug über den Gipfeln aller außer der höchsten Gewitter, die Piloten seitlich umfliegen, und über einem Großteil der durch Gelände und Konvektion erzeugten Turbulenzen. Jetstreams, die Ströme schneller Luft nahe der Tropopause, können nach Osten als Rückenwind von 150 bis 300 km/h genutzt oder nach Westen gemieden werden - ein weiterer Grund, warum Routen und Höhen mit Blick auf das Wetter des Tages gewählt werden. Große Höhe hilft auch dem Flugverkehrsmanagement: Rund ein Dutzend nutzbare Flugflächen zwischen 9 und 13 km, im Abstand von 300 m (1.000 ft), ermöglichen es den Lotsen, den Verkehr auf derselben Route zu staffeln.

Oberhalb von etwa 13 km treffen mehrere Grenzen zusammen. Der Triebwerksschub sinkt weiter mit der Dichte, sodass ein weiteres Steigen ein leichteres Flugzeug oder ein stärkeres Triebwerk erfordert. Der Flügel braucht in dünnerer Luft eine höhere wahre Fluggeschwindigkeit, um denselben Auftrieb zu erzeugen, und irgendwann trifft die zur Vermeidung eines Strömungsabrisses nötige Geschwindigkeit auf die Geschwindigkeit, bei der Stoßwellen Probleme verursachen - die sogenannte Coffin Corner. Die Kabine muss auf einen Druck entsprechend höchstens etwa 2.400 m (8.000 ft) gehalten werden, und die strukturelle Belastung durch diesen Druckunterschied wächst mit der Höhe. Die Concorde flog mit ihrem schlanken Flügel und ihren Turbojets in 17 bis 18 km (55.000-60.000 ft) Höhe, und das Aufklärungsflugzeug U-2 fliegt oberhalb von 21 km (70.000 ft), aber beide sind spezialisierte Konstruktionen. Für die Flugzeuge, die die meisten Passagiere weltweit befördern, liegt im Band zwischen 9 und 13 km das Zusammenspiel von Treibstoff, Geschwindigkeit, Wetter und Struktur im optimalen Bereich.