Por que voam os aviões tão alto?

A resistência aerodinâmica é proporcional à densidade do ar, e a densidade diminui rapidamente com a altitude. A 11 km (36.000 ft) de altitude, o ar tem cerca de 30 por cento da densidade ao nível do mar; a 12 km, cerca de um quarto. Um avião que voa à mesma velocidade real enfrenta, por isso, apenas uma fração da resistência a que estaria sujeito a baixa altitude, e os motores podem ser reduzidos em conformidade. Os motores a jato preferem também ar frio e rarefeito: o seu impulso diminui com a altitude, mas o consumo de combustível por unidade de impulso também diminui, e a turbina funciona, perto da tropopausa, mais próxima do seu ponto de projeto. Esta combinação é a razão pela qual um Boeing 787 ou um Airbus A350 voa tipicamente entre 11 e 13 km (35.000-43.000 ft) de altitude, e pela qual um voo de longo curso sobe em etapas conforme consome combustível e se torna mais leve.

A velocidade do som diminui com a temperatura e, em altitude de cruzeiro, situa-se em cerca de 295 m/s (1.062 km/h). Os aviões comerciais voam a Mach 0,78-0,85, ligeiramente abaixo do ponto em que as ondas de choque na asa aumentariam fortemente a resistência. O ar frio determina, assim, tanto a altitude eficiente como a velocidade prática.

A maioria das nuvens, precipitações e turbulências encontra-se na baixa troposfera. Acima de 10 km, um avião voa sobre os topos de todas as tempestades, exceto as mais altas, que os pilotos contornam lateralmente, e sobre a maior parte das turbulências geradas pelo relevo e pela convecção. As correntes de jato, fluxos de ar rápido perto da tropopausa, podem ser aproveitadas para leste como vento de cauda de 150 a 300 km/h, ou evitadas para oeste - outra razão pela qual as rotas e altitudes são escolhidas tendo em conta o tempo do dia. A grande altitude ajuda também a gestão do tráfego aéreo: cerca de uma dúzia de níveis de voo utilizáveis entre 9 e 13 km, espaçados de 300 m (1.000 ft), permitem aos controladores escalonar o tráfego na mesma rota.

Acima de cerca de 13 km, várias limitações convergem. O impulso do motor continua a diminuir com a densidade, de modo que subir mais exige um avião mais leve ou um motor mais potente. A asa precisa, em ar mais rarefeito, de uma velocidade real mais alta para gerar a mesma sustentação, e em certo ponto a velocidade necessária para evitar uma perda de sustentação encontra a velocidade a que as ondas de choque causam problemas - o chamado coffin corner. A cabine tem de ser mantida a uma pressão equivalente a, no máximo, cerca de 2.400 m (8.000 ft), e a tensão estrutural causada por essa diferença de pressão aumenta com a altitude. O Concorde, com a sua asa fina e os seus turbojatos, voava a 17-18 km (55.000-60.000 ft) de altitude, e o avião de reconhecimento U-2 voa acima de 21 km (70.000 ft), mas ambos são construções especializadas. Para os aviões que transportam a maioria dos passageiros em todo o mundo, é na faixa entre 9 e 13 km que a combinação de combustível, velocidade, tempo e estrutura atinge o ponto ótimo.