Изотопный анализ N₂O открывает возможность различать источники газа, невидимые при простом измерении концентрации. Различные процессы образования N₂O оставляют характерные изотопные «отпечатки», которые сохраняются при атмосферном транспорте.
Молекула N₂O имеет линейную структуру N-N-O с характерным расположением атомов. Изотопный состав описывается несколькими параметрами: ¹⁵N в положении α (центральный азот), ¹⁵N в положении β (концевой азот), ¹⁸O и внутримолекулярным изотопным фракционированием, называемым «SP» (site preference — предпочтение позиции).
Параметр SP — разница между ¹⁵N(α) и ¹⁵N(β) — оказался особенно информативным. Нитрификация (бактериальное окисление NH₄⁺) даёт SP ≈ 33‰, тогда как денитрификация — SP ≈ 0‰. Это позволяет разделить два основных биологических пути образования N₂O в почвах и океанах.
Атмосферный N₂O имеет SP около 19‰ — смесь сигналов от множества источников. Стратосферный распад N₂O обогащает атмосферу тяжёлыми изотопами, что необходимо учитывать при интерпретации тропосферных наблюдений.
Мобильные масс-спектрометры и лазерные спектрометры (в частности, на основе оптического резонатора CRDS) позволяют измерять изотопный состав N₂O в полевых условиях с точностью до 0,1‰. Эти приборы применяются в авиационных и корабельных экспедициях для глобального картирования.
Глобальный банк изотопных данных N₂O ведётся несколькими группами, в том числе Институтом Макса Планка по биогеохимии (Йена) и NOAA. Эти данные интегрируются в изотопные инверсионные модели для уточнения региональных вкладов в глобальный бюджет N₂O.