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 (δ18O-H2O, δ2H-H2O, δ15N-NO3-, and δ18O-NO3-) collected daily between August 2018 and November 2019 in a tropical urban atmosphere of central Costa Rica. Rainfall generation processes (convective and stratiform rainfall fractions) were identified using stable isotopes in precipitation coupled with air mass back trajectory analysis. A Bayesian isotope mixing model using δ15N-NO3- compositions and corrected for potential 15N fractionation effects revealed the contribution of lightning (25.9 ± 7.1%), biomass burning (21.8 ± 6.6%), gasoline (19.1 ± 6.4%), diesel (18.4 ± 6.0%), and soil biogenic emissions (15.0 ± 2.6%) to nitrate wet deposition. δ18O-NO3- values reflect the oxidation of NOx sources via the ·OH + RO2 pathways. 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 and magnitude 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 (δ18O-H2O, δ2H-H2O, δ15N-NO3- y δ18O-NO3-) recolectados diariamente entre agosto de 2018 y noviembre de 2019 en una atmósfera urbana tropical. del centro de Costa Rica. Los procesos de generación de lluvia (fracciones de lluvia convectiva y estratiforme) se identificaron utilizando isótopos estables en la precipitación junto con el análisis de la trayectoria inversa de la masa de aire. Un modelo de mezcla de isótopos bayesianos utilizando composiciones de δ15N-NO3- y corregido por los posibles efectos de fraccionamiento de 15N reveló la contribución de los rayos (25,9 ± 7,1%), la quema de biomasa (21,8 ± 6,6%), la gasolina (19,1 ± 6,4%), el diésel (18,4%). ± 6,0%) y emisiones biogénicas del suelo (15,0 ± 2,6%) a la deposición húmeda de nitrato. Los valores de δ18O-NO3- reflejan la oxidación de las fuentes de NOx a través de las vías · OH + RO2. Estos hallazgos proporcionan la información de referencia 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 y la magnitud de las cargas de nitrógeno inorgánico en las regiones tropicales.