Come cambia la velocità del suono con l'altitudine?

In un gas ideale, la velocità del suono dipende dalla radice quadrata della temperatura assoluta, moltiplicata per una costante che tiene conto della composizione del gas. Pressione e densità si cancellano nell'equazione, il che sorprende molti: l'aria rarefatta ad alta quota conduce il suono esattamente alla stessa velocità dell'aria densa alla stessa temperatura. La domanda su come cambi la velocità del suono con l'altitudine è in realtà la domanda su come cambi la temperatura con l'altitudine, e questo è descritto dall'Atmosfera Standard Internazionale, usata dall'ICAO e da ogni costruttore di aerei.

Nell'atmosfera standard, la temperatura al livello del mare è di 15 °C e scende di 6,5 °C per chilometro nella troposfera. La velocità del suono diminuisce di conseguenza: 340,3 m/s (661 kn) al livello del mare, circa 328 m/s a 3.000 m, 316 m/s a 6.000 m e 295,1 m/s (574 kn) alla tropopausa, che si trova a 11.000 m (36.089 ft). Più in alto, nella bassa stratosfera, la temperatura standard è fissata a −56,5 °C fino a 20 km, quindi la velocità del suono resta costante a 295 m/s. Più in alto ancora, l'assorbimento dell'ozono riscalda la stratosfera, e la velocità del suono torna a salire, raggiungendo circa 330 m/s verso i 47 km, prima di scendere di nuovo nella mesosfera. L'atmosfera reale si discosta da questi valori in base all'ora del giorno, alla stagione e alla latitudine, e l'aria fredda invernale sulla Siberia o l'aria calda sul Golfo Arabico spostano i valori di diversi punti percentuali.

Il numero di Mach è la velocità vera di volo divisa per la velocità del suono locale, cosicché la stessa velocità vera di volo ad alta quota corrisponde a un numero di Mach più alto. Un aereo di linea che vola a Mach 0,82 a 11.000 m di altitudine raggiunge una velocità vera di volo di circa 242 m/s (470 kn); al livello del mare, lo stesso numero di Mach corrisponderebbe a 279 m/s (542 kn). Per questo i profili di salita vengono volati prima a velocità indicata costante fino a un'altitudine di transizione, e poi a numero di Mach costante: il numero di Mach critico dell'ala, superato il quale aumentano onde d'urto e resistenza, viene raggiunto, salendo di quota, a una velocità vera di volo più bassa. Lo stesso effetto restringe, ad altitudini molto elevate, il margine tra lo stallo a bassa velocità e il buffeting ad alta velocità, la regione che i piloti chiamano coffin corner.

I razzi attraversano tutti questi strati in pochi minuti. Il punto di massima pressione aerodinamica, Max Q, si verifica in basso nell'atmosfera, a circa Mach 1-1,5, e i lanciatori riducono la spinta in quel punto per limitare i carichi; più in alto, la diminuzione della densità gioca un ruolo molto più grande dei piccoli cambiamenti nella velocità del suono.