Perché gli aerei volano così in alto?

La resistenza aerodinamica è proporzionale alla densità dell'aria, e la densità diminuisce rapidamente con l'altitudine. A 11 km (36.000 ft) di altitudine, l'aria è circa il 30% della densità al livello del mare; a 12 km, circa un quarto. Un aereo che vola alla stessa velocità vera incontra quindi solo una frazione della resistenza che subirebbe a bassa quota, e i motori possono essere ridotti di conseguenza. I motori a getto preferiscono inoltre aria fredda e rarefatta: la loro spinta diminuisce con l'altitudine, ma anche il loro consumo di carburante per unità di spinta diminuisce, e la turbina funziona vicino alla tropopausa più vicino al suo punto di progetto. Questa combinazione è il motivo per cui un Boeing 787 o un Airbus A350 volano tipicamente tra 11 e 13 km (35.000-43.000 ft) di altitudine, e perché un volo a lungo raggio sale a gradini mentre consuma carburante e diventa più leggero.

La velocità del suono diminuisce con la temperatura ed è di circa 295 m/s (1.062 km/h) in quota di crociera. Gli aerei di linea volano a Mach 0,78-0,85, appena sotto il punto in cui le onde d'urto sull'ala aumenterebbero fortemente la resistenza. L'aria fredda determina quindi sia l'altitudine di crociera efficiente sia la velocità pratica.

La maggior parte delle nuvole, delle precipitazioni e delle turbolenze si trova nella bassa troposfera. Sopra i 10 km, un aereo vola sopra le cime di tutti i temporali tranne i più alti, che i piloti evitano lateralmente, e sopra gran parte delle turbolenze generate dal terreno e dalla convezione. Le correnti a getto, flussi d'aria veloce vicino alla tropopausa, possono essere usate verso est come venti in coda di 150-300 km/h o evitate verso ovest - un altro motivo per cui rotte e altitudini vengono scelte in base al meteo del giorno. L'alta quota aiuta anche la gestione del traffico aereo: circa una dozzina di livelli di volo utilizzabili tra 9 e 13 km, distanziati di 300 m (1.000 ft), permettono ai controllori di scalare il traffico sulla stessa rotta.

Sopra i circa 13 km si incontrano diversi limiti. La spinta del motore continua a diminuire con la densità, quindi salire ulteriormente richiede un aereo più leggero o un motore più potente. L'ala ha bisogno di una velocità vera maggiore in aria più rarefatta per generare la stessa portanza, e a un certo punto la velocità necessaria per evitare lo stallo incontra la velocità alla quale le onde d'urto causano problemi - il cosiddetto "coffin corner". La cabina deve essere mantenuta a una pressione equivalente al massimo a circa 2.400 m (8.000 ft), e il carico strutturale dovuto a questa differenza di pressione aumenta con l'altitudine. Il Concorde, con la sua ala sottile e i suoi turbogetti, volava a 17-18 km (55.000-60.000 ft) di altitudine, e l'aereo da ricognizione U-2 vola sopra i 21 km (70.000 ft), ma entrambi sono progetti specializzati. Per gli aerei che trasportano la maggior parte dei passeggeri nel mondo, nella fascia tra 9 e 13 km l'interazione tra carburante, velocità, meteo e struttura si trova nel punto ottimale.