Por que a velocidade do som muda com a altitude?

O som é uma perturbação de pressão transmitida de molécula a molécula, e a velocidade com que se propaga depende da rapidez com que essas moléculas se movem entre as colisões. Num gás, essa velocidade molecular depende apenas da temperatura. Fisicamente, a velocidade do som é a raiz quadrada da constante do gás multiplicada pela temperatura e por um fator que depende do gás, cerca de 1,4 para o ar. Pressão e densidade se cancelam nessa relação: o ar comprimido torna-se mais denso, mas na mesma proporção também mais rígido, de modo que o som se propaga à mesma velocidade ao nível do mar e no topo de uma montanha, à mesma temperatura. O que muda com a altitude não é a rarefação do ar, mas sua temperatura, e é isso que altera a velocidade do som.

Na atmosfera padrão internacional, usada para cálculos de desempenho de voo, a temperatura do ar ao nível do mar é de 15 °C, e o som se propaga a 340,3 m/s, ou 1.225 km/h. A temperatura então cai 6,5 °C por quilômetro de subida através da troposfera, e a velocidade do som diminui na mesma proporção: cerca de 328 m/s a 3.000 m e 316 m/s a 6.000 m. A 11.000 m, a temperatura padrão atinge −56,5 °C, e o som se move a 295 m/s, ou seja, 1.062 km/h ou 573 nós. A partir daí e até cerca de 20.000 m, a atmosfera padrão é isotérmica, de modo que a velocidade do som permanece constante, e acima disso, na estratosfera, a temperatura e a velocidade do som voltam a subir, porque o ozônio absorve a luz solar. O ar real raramente corresponde exatamente ao padrão, por isso as aeronaves medem a temperatura externa e calculam o valor local continuamente.

A consequência prática é que o número de Mach, a razão entre a velocidade real de voo e a velocidade local do som, aumenta com a altitude, mesmo que a velocidade real de voo não mude. Um jato que mantém 900 km/h voa perto do solo a cerca de Mach 0,73, mas a 11.000 m a cerca de Mach 0,85, perto do ponto em que se formam ondas de choque e o arrasto aumenta abruptamente. Ao mesmo tempo, a velocidade de estol em velocidade real de voo aumenta com a altitude, porque o ar rarefeito gera menos sustentação. No alto da atmosfera, esses dois limites se aproximam, e os pilotos chamam a estreita faixa entre eles de "coffin corner". É também por isso que aeronaves supersônicas superam Mach 1 mais facilmente em grande altitude: a velocidade-alvo é menor em km/h, e o ar rarefeito gera menos arrasto.