Dissolved (< 0.4 μm) iron has been measured in 354 samples at 30 stations in the North and South Pacific, Southern Ocean and North Atlantic by the Trace Metals Laboratory at Moss Landing Marine Laboratories. These stations are all more than 50 km from a continental margin. The global distribution of dissolved iron, which is derived from these profiles, is remarkable for several reasons. The dissolved iron profiles have a uniform shape with a nutrient-like profile at each station. Concentrations at the surface are all < 0.2 nmol kg−1 and average 0.07 nmol kg−1. Below 500 m, the average concentration is 0.76 nmol kg−1. The largest value in the data set is 1.38 nmol kg−1. There is no inter-ocean fractionation, which is unique for an element with a nutrient-like profile. Published estimates of the iron residence time are on the order of 100 to 200 yr, indicative of rapid removal. Other elements with such short residence times are characterized by vertical profiles that decrease with depth and deep concentrations that decrease with age as water passes from the Atlantic to the Pacific. This is not the case for iron. The largest horizontal changes in dissolved iron are observed in gradients from the continental margin. There is only a factor of three difference between the minimum (0.4 nmol kg−1) and maximum (1.3 nmol kg−1) value in the data set at a depth near 750 m, where variability is at a maximum. The minimum concentrations are found at stations in the remote central Pacific and the maximum values occur at stations adjacent to the continental margin. The major source of iron in the deep sea is generally aeolian deposition. Integrated (surface to 500 m) concentrations of iron at each station are only weakly correlated with the aeolian iron deposition flux, however. This contrasts with other elements such as lead that also have strong atmospheric sources. These observations lead us to conclude that the nutrient-like profile is maintained by a mechanism that reduces the scavenging rate of dissolved iron at concentrations less than 0.6 nmol kg−1. This mechanism may be complexation by strong iron binding ligands, which have been found in both the Atlantic and Pacific at concentrations near 0.6 nM. This apparent solubility would act to diminish inter-ocean fractionation. It would allow a nutrient-like profile to develop before scavenging began to remove iron. In order to test the concept, we developed a numerical model to make quantitative predictions of dissolved iron concentrations from place to place. The dissolved iron source in the ocean interior is remineralization from sinking particulate organic matter. Scavenging removes dissolved iron only at concentrations greater than the apparent solubility. The only geographically variable parameter in the model is the export flux of carbon from the surface layer, which carries iron with it. The model generated dissolved iron profiles, based on measured or estimated values of the carbon export flux, are in remarkable agreement with the observed profiles at all stations from the North Atlantic through the Southern Ocean to the North Pacific.

VERTEX studies were performed in the Gulf of Alaska in order to test the hypothesis that iron deficiency was responsible for the phytoplankton's failure to remove major plant nutrients from these waters. In view of the observed Fe distributions and the results of phytoplankton Fe enrichment experiments, it was concluded that Gulf of Alaska atmospheric Fe input rates are sufficient to support moderately high rates of primary productivity; however, not enough Fe is available to support the high growth rates that would lead to normal major nutrient depletion. Enhanced Fe input does occur along the Alaska continental margin, where normal NO3 surface depletion is observed. Coccolithophorids appear to be best able to cope with low Fe conditions; however, they cannot compete with diatoms when Fe is readily available. Iron may be more important than available N in determining global rates of phytoplankton new production. Offshore Pacific Ocean water, replete with major nutrients, appears to be infertile without supplemental iron from the atmosphere or continental margin.

Enrichment experiments were performed in the Ross Sea to test the hypothesis that iron deficiency is responsible for the phytoplankton's failure to use up the luxuriant major nutrient supplies found in these and all other offshore Antarctic ocean waters . Nitrate uptake rates in the controls without added trace elements ranged from 0.58 to 1.22 μmol kg −1 d −1 ; the addition of 1 to 5 nmol of unchelated Fe per liter resulted in rates that were 2 to 10 times higher (2.54 to 6.00 μmol NO 3 kg −1 d −1 ). Rates in bottles with 2 nmol Mn added were identical to those in the controls (0.57 to 1.04 μmol NO 3 kg −1 d −1 ). Total decreases in NO 3 were balanced by increases in particulate organic N. These results suggest that Fe deficiency is the primary reason that the present‐day southern ocean biological pump is shut off. In contrast, iron was 50 times more abundant during the last glacial maximum; greater Fe availability may have stimulated the biological pump and contributed to the ice age drawdown of atmospheric C0 2 . These results also imply that large‐scale southern ocean Fe fertilization is feasible, at least in terms of the total amounts of Fe required; i.e., 100,000 to 500,000 tons yr −1 .

Dissolved and particulate Fe concentrations, measured at three deep ocean stations on a 1600 km inshore-offshore VERTEX transect, were compared with those found at four shallow California continental margin stations. The three VERTEX profiles shared similar features: very low dissolved Fe levels (<0.1 nmol kg−1) in surface waters, increasing amounts with depth, and maxima (∼1.0–1.3 nmol kg−1) in association with the oxygen minimum. In contrast, concentrations as high as 9 nmol kg−1 of dissolved Fe were found at the shallow margin stations, in association with elevated levels of Mn (17 nmol kg−1) and Co (200 pmol kg−1). Inshore and offshore Fe distributions were evaluated in relation to the phytoplankton's requirement for this essential element. Local shelf diagenetic Fe input appears to be adequate for phytoplankton growth even in environments where increased demand results from the upwelling of major nutrients. However, the Fe laterally mixed out into the ocean's interior within the oxygen minimum and supplied to the surface via vertical mixing processes provides only a few percent of open ocean phytoplankton demand; the other 95% must be provided by atmospheric input. We also consider environments in which Fe supplies may be limiting phytoplankton growth; i.e. surface waters of the Subarctic and Antarctic, where major nutrients are never depleted. We postulate that atmospheric Fe input rates are not high enough to meet the elevated phytoplankton demand resulting from offshore major nutrient upwelling. As a result, major nutrient depletion occurs only along continental margins and ice edges, where Fe supplies should be adequate. Atmospheric dust concentrations were one to two orders of magnitude higher in glacial times than those in the present and last interglacial periods. The lower glacial atmospheric CO2 levels, which resulted from the increased biological utilization of major nutrients at high latitudes, may have been stimulated by the enhanced availability of atmospheric Fe.