Stable isotopic characterization of nitrate wet deposition in the tropical urban atmosphere of Costa Rica

Abstract

Increasing energy consumption and food production worldwide results in anthropogenic emissions of reactive nitrogen into the atmosphere. To date, however, little information is available on tropical urban environments where inorganic nitrogen is vastly transported and deposited through precipitation on terrestrial and aquatic ecosystems. To fill this gap, we present compositions of water stable isotopes in precipitation and atmospheric nitrate (δ 18 O-H2O, δ 2 H-H2O, δ 15 N-NO3-, and δ 18 O-NO3-) collected daily between August 2018 and November 2019 in a tropical urban atmosphere of central Costa Rica. Rainfall generation processes (convective and stratiform) were identified using stable isotopes in precipitation combined with air mass back trajectory analysis. A Bayesian isotope mixing model forced with δ 15 N-NO3-values corrected for potential 15 N fractionation effects reveal the predominant contribution of biomass burning and lightning to nitrate wet deposition. δ 18 O-28 NO3-values in Caribbean convective rainfall reflect the oxidation chemistry of NOx sources whereas δ 15 N-NO3-values in Pacific stratiform rainfall indicate the transport of nitrogen sources contributing to nitrate in atmospheric deposition. These findings provide necessary baseline information about the combination of water and nitrogen stable isotopes with atmospheric chemistry and hydrometeorological techniques to better understand wet deposition processes and to characterize the origin of inorganic nitrogen loadings in tropical regions.

El aumento del consumo de energía y la producción de alimentos en todo el mundo da como resultado emisiones antropogénicas de nitrógeno reactivo a la atmósfera. Sin embargo, hasta la fecha, se dispone de poca información sobre los entornos urbanos tropicales donde el nitrógeno inorgánico se transporta y se deposita en gran medida a través de la precipitación en los ecosistemas terrestres y acuáticos. Para llenar este vacío, presentamos composiciones de isótopos estables en agua en precipitación y nitrato atmosférico (δ 18 O-H2O, δ 2 H-H2O, δ 15 N-NO3-, y δ 18 O-NO3-) recolectados diariamente entre agosto de 2018. y noviembre de 2019 en un ambiente urbano tropical del centro de Costa Rica. Los procesos de generación de lluvia (convectivos y estratiformes) se identificaron utilizando isótopos estables en la precipitación combinados con el análisis de la trayectoria inversa de la masa de aire. Un modelo de mezcla de isótopos bayesianos forzado con valores de δ 15 N-NO3 corregidos para efectos potenciales de fraccionamiento de 15 N revela la contribución predominante de la quema de biomasa y los rayos a la deposición húmeda de nitrato. Los valores de δ 18 O-28 NO3 en la lluvia convectiva del Caribe reflejan la química de oxidación de las fuentes de NOx, mientras que los valores de δ 15 N-NO3 en la lluvia estratiforme del Pacífico indican el transporte de fuentes de nitrógeno que contribuyen al nitrato en la deposición atmosférica. Estos hallazgos proporcionan la información básica necesaria sobre la combinación de isótopos estables de nitrógeno y agua con la química atmosférica y las técnicas hidrometeorológicas para comprender mejor los procesos de deposición húmeda y caracterizar el origen de las cargas de nitrógeno inorgánico en las regiones tropicales.