Blanco-Portals et al., ACT6, 7-20, 2016

Análisis del transporte y la dispersión de ceniza y SO2 de origenvolcánico en la atmósfera.

Javier Blanco-Portals1∗, Carlos Otero-Casal2, Daniel Garaboa-Paz2, Jorge Eiras-Barca2,

Gonzalo Miguez-Macho2∗

∗javier.blanc.port@gmail.com, gonzalo.miguez@usc.es1Grado en Física, Universidade de Santiago de Compostela; Galicia, España.

2Grupo de Física No Lineal, Universidade de Santiago de Compostela; Galicia, España.

RESUMEN

Las erupciones volcánicas son fenómenos naturales de alta importancia para el Sistema Climáticopor sus efectos a corto, medio y largo plazo. Estas erupciones también pueden provocar el cierretotal o parcial del espacio aéreo sobre las regiones afectadas, causando pérdidas cuantiosas yafectando a las comunicaciones. El modelo meteorológico de escala sinóptica con acople deemisiones WRF-Chem es usado en este trabajo para la simulación de la erupción de los volcanesEyjafjallajokull (Islandia) y Tambora (Indonesia), con el objetivo de analizar la dispersión deceniza en la atmósfera, asociada a cada uno de ellos. Se observa que en la erupción del volcánislandés, la atmósfera baroclínica dispersa las cenizas de una forma muy rápida y hacia grandesextensiones geográficas. Este hecho se ve especialmente favorecido para el caso de las cenizasde menor calibre, que al alcanzar la alta troposfera se ven sometidas a los efectos de la corrienteen chorro o Jet Stream polar, en cuyo seno las cenizas son transportadas a gran velocidad,incrementando la dispersión. En el caso del volcán indonesio, la atmósfera barotrópica favoreceque el tiempo de residencia sea muy superior, y muy inferior el área a lo largo de la cual materiaeyectada se ve dispersada.

Palabras Clave: WRF-Chem, erupción, circulación general, dispersión de ceniza.

1. Introducción

Las erupciones volcánicas se encuentranentre los eventos naturales más violentosy con mayor potencial de daño, tanto eninfraestructuras como en vidas humanas,debido a la abrupta liberación de materiay energía que a ellas acompaña.

Adicionalmente, los volcanes son unaimportante fuente de emisión de gases

tóxicos y de efecto invernadero como eldióxido de azufre (SO2) o el dióxidode carbono (CO2), pudiendo afectar alsistema climático no sólo a corto, sinoa medio y largo plazo. Como ejemplo,puede tomarse la erupción del volcán Laki(Islandia, entre 1783 y 1784), el cual seestima que eyectó a la atmósfera unacantidad aproximada de 122 megatonesde SO2 a lo largo de un período demás de 5 meses. El SO2 reaccionará

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con el agua contenida en la atmósfera,formando ácido sulfúrico (H2SO4). Ésteácido puede precipitar en forma de lluviaácida y causar daños a la vegetación odaños atópicos a personas y animales,permanenciendo además en suspensión unlargo tiempo, así como siendo transportadoa otras regiones. Este aerosol de H2SO4absorbe y refleja parte del espectro deradiación solar causando una disminuciónde la temperatura en superficie a cortoplazo. Como consecuencia de la erupcióndel citado Laki, se registraron anomalíasnegativas de temperatura de 1,5◦C en veranoy hasta 4◦C en invierno sobre el continenteeuropeo y algunas regiones americanas;ocasionando importantes disminuciones enla actividad agrícola, que causaron unahambruna generalizada (Thordarson andSelf , 2003).

El continuo crecimiento del tráfico aéreo, ytambién la dependencia social y económicade nuestra civilización hacia el mismo,convierten a las erupciones volcánicasen un factor estratégico. Baste conrecordar el reciente evento de erupcióndel volcán Eyjafjallajokull en abril de2010 (Sammonds P and Stephen, 2010;Webley et al., 2012; Stuefer et al., 2012),situado al sur de Islandia. La erupciónmantuvo la mayor parte del espacioaéreo europeo cerrado a lo largo de unperíodo de 9 días, produciendo pérdidasmillonarias tanto para las compañías aéreascomo para empresas cuya distrubuciónde productos estaba ligada al transporteaéreo (Sammonds P and Stephen, 2010).La circulación general de la atmósfera,las condiciones sinópticas predominantes,la estabilidad e incluso la posición de latropopausa son factores determinantes ala hora de explicar cuestiones como eltiempo de permanencia de la ceniza enla atmósfera, el alcance del transporte o sudireccionalidad (Holton and Hakim, 2012;

Wallace and Hobbs, 2006; Salby, 2012).

Quedando clara la importancia de losefectos que las erupciones volcánicaspueden producir, queda sólo mejorar elconocimiento y la predictibilidad delcomportamiento tanto de la ceniza como eldel SO2 tras una erupción volcánica dentrode la circulación general de la atmosfera(Sigurdsson et al., 2015).

En este artículo se muestra la factibilidadde realizar predicciones acerca delcomportamiento del material eyectado ala atmósfera tras una erupción volcánica,estimando la precisión del modelo numéricoy su capacidad para reproducir la dispersiónde ceniza. Para ello, se utilizó el modeloWRF (sistema numérico de predicciónmeteorológica a mesoescala) acopladoal módulo de emisiones Chem, para lainclusión del material eyectado en lasimulación (Sammonds P and Stephen,2010; Webley et al., 2012; Stuefer et al.,2012).

El artículo se estructura de la siguientemanera: la sección 2 presenta los métodosutilizados en la simulaciones, así como losdetalles sobre la configuración del modeloutilizado, los volcanes seleccionados, ylas erupciones. La sección 3 presenta losresultados obtenidos en la simulación, queserán comentados junto a las conclusionesen la sección 4.

2. Métodos

Para los volcanes Eyjafjallajokull (63◦38’N19◦36’W, 1666m) y Tambora (8◦16.6’N117◦59.5’E, 2850m) se simulan doserupciones de 4 Volcanic Explosive Index(en adelante VEI)1, y se eligen períodosde simulación coincidentes con el períodoeruptivo del Eyjafjallajökull de abril de 2010(Sammonds P and Stephen, 2010; Webley

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et al., 2012; Stuefer et al., 2012).

(a) Dominio Eyjafjallajökull

(b) Dominio Tambora

Fig. 1: (a) Proyección Lambert-conformaldel dominio simulado en la erupción delEyjafjallajökull. (b) Proyección de Mercatorpara el dominio simulado en el caso delTambora.

La importancia de elegir para ambassimulaciones el mismo VEI reside en elhecho de poder comparar los resultadosen función únicamente de la posicióngeográfica de ambos volcanes, partiendoasí de una cantidad y de una altura inicialalcanzada por la masa eyectada iguales(mismas condiciones iniciales para laserupciones). De esta manera, la evoluciónde la ceniza tras la erupción estaráúnicamente sujeta al comportamiento dela atmósfera a escala regional; con la

presencia de estructuras baroclínicas (comolos frentes) para las latitudes elevadas delEyjafjallajökull, y de vientos sinópticos ycorrientes conventivas en una atmósferabarotrópica para las latitudes bajas delTambora.

El Weather Research and Forecasting Model(en adelate WRF) es configurado para tomarcomo condiciones iniciales y de contornolos datos suministrados por el GlobalForecasting System (GFS), discretizando undominio tridimensional de simulación de 18km de resolución, con las parametrizacionesde microfísca, cúmulos, superficie, capalímite y radiación siguientes:

Esquema WSM3 para la microfísica(Hong et al., 2004).

Esquema MM5 para la capa desuperficie. Parametrización revisadade Monin-Obukhov (Jiménez et al.,2012).

Esquema de YSU para la convecciónen la capa límite planetaria (Shin et al.,2012).

Esquema de Dudhia para la radiaciónde onda corta (Dudhia, 1989).

Esquema RRTM para la radiación deonda larga (Mlawer et al., 1997).

La proyección Lambert-Conformal fueescogida para el caso del Eyjafjallajökull,mientras que para el caso del Tambora seoptó por una proyección Mercator, paraminimizar la aberración latitudinal. Elacople del paquete Chem a WRF es usado

1La escala de intensidad de erupción volcánica aceptada divide las erupciones entre los 0 VEI y los 8 VEI,habiendo alcanzado el Tambora la mayor intensidad de erupción registrada en la historia, con una valor de 7 VEI.

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Fig. 2: Esquema del período de simulación.

con el objetivo de la inclusión de las cenizasy el SO2 en las simulaciones. Las cenizasserán tratadas como partículas de polvodispersables, sin utilizar las opciones deacople con los módulos para el tratamientode aerosoles y evitando las interaccionesquímicas y mecanismos de deposicióndisponibles. Así se consigue optimizar eltiempo de simulación (Stuefer et al., 2012).La Figura 1 muestra los dominios desimulación seleccionados.

Las simulaciones tendrán en cuenta ladistribución de la ceniza por calibreexpresada en Mastin et al. (2009) yexpresada en la Tabla 1, y son desarrolladascon 6 erupciones para cada caso, con elfin de asemejarse lo máximo posible a larealidad, tomando como referencia la últimaerupción del Eyjafjallajokull. Los detallesde las simulaciones son contemplados en laTabla 3 y en la Figura 2.

Además de realizar ambas simulacionessuponiendo el mismo VEI, también sesupone la misma composición para ambasnubes de ceniza eyectadas (Tabla 1);estando la erupción clasificada como S2según la base de datos de Mastin, quecontiene otras 10 posibles categorías. Estaclasificación tiene en cuenta no solo la alturay cantidad de masa expulsada, si no tambiénla composición y calibre de las cenizas(Mastin et al., 2009). A pesar de tratarsede estratovolcanes, el registro históricode erupciones indica una composición yVEI (ambos relacionados) muy diferentepara ambos. Sin embargo, el simular losdos casos bajo las mismas condicionestiene el objetivo antes mencionadode poder comparar los resultados, enfunción únicamente del comportamientoatmósferico asociado a sus latitudes.

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BinDiámetro de las partículas

por binPorcentaje de masa

1 1 a 2 mm 222 0.5 a 1 mm 53 0.25 a 5 mm 44 125 a 250 µm 55 62.5 a 125 µm 24.56 31.25 a 62.5 µm 127 15.625 a 31.25 µm 118 7.8125 a 15.625 µm 89 3.9065 a 7.8125 µm 510 <3.9 µm 3.5

Tabla 1: Distribución de las especies de cenizas para las erupciones. Volcán tipo S2 según laclasificación de Mastin

Etiqueta Rango de alturas por capa

L1-Baja Troposfera 0 a 1682 mL2-Media Troposfera 2049 a 8224 mL3-Alta Troposfera 8944 a 15753 mL4-Tropopausa 16530 a 20463 m

Tabla 2: División del dominio simulado en 4 niveles verticales para el análisis de la dispersiónde ceniza.

Erupciones Fecha - hora (UTC)de inicio Duración (h) Altura sobre

el cráter (m)Masa total

eyectada (kg)

1 14/04/2010 - 09:00 9 9000 2.06E+102 14/04/2010 - 18:00 9 5500 1.25E+093 15/04/2010 - 03:00 42 6000 9.04E+094 16/04/2010 - 18:00 36 8250 4.60E+105 18/04/2010 - 06:00 18 5000 1.33E+096 19/04/2010 - 00:00 6 4000 1.78E+07

Tabla 3: Parámetros de configuración de las erupciones, tanto para el Eyjafjallajokull como parael Tambora.

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(a) (b)

(c) (d)

Fig. 3: (a): Imágen de satélite 15 de abril de 2010 (canal visible). (b) : Salida del modelo para el15 de abril de 2010. (c): Imágen de satélite 16 de abril de 2010. (d): Imágen de satélite 16 deabril de 2010 (canal infrarrojo).

Dado que el primer orden de importancia enel estudio del comportamiento de las cenizasviene dado por el calibre de las mismas;la concentración de éstas será estudiada enfunción del mismo. Esto permitirá hacer unacomparación más detallada entre la erupciónde ambos volcanes. De la misma manera,y para precisar más en el análisis y en lacomparación; la troposfera será dividida en4 niveles verticales; siendo el nivel L1 elmás cercano al suelo, y el nivel L4 el queincorpore la tropopausa, como se observaen la Tabla 2. También será analizada ladispersión horizontal de la concentraciónmedia de ceniza, con el

objetivo de determinar aquellas regiones quehan sufrido un impacto mayor, y con ello, enla que estaría justificado un eventual cortedel espacio aéreo. Para ello se obtendránconclusiones dividiendo la columa en baja,media y alta troposfera.

Finalmente, y con el objetivo de validarlas salidas del modelo, se han obtenidoimágenes de satélite (MODIS-NASA) delos días de interés.

3. Resultados

La Figura 3 muestra como la salida delmodelo se ajusta a las observaciones tantode los canales visible como infrarrojo parael caso de Islandia, teniendo una

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(a) (b)

(c) (d)

Fig. 4: Concentración de cenizas por calibres para la simulación del Eyjafjallajokull. Cenizaligera (a), ceniza media-ligera (b), ceniza media-pesada (c) y ceniza pesada (d) son presentadasindependientemente. Los niveles de altura de L1 a L4 se especifican en la Tabla 2.

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(a) (b)

(c) (d)

Fig. 5: Concentración de cenizas por calibres para la simulación del Tambora. Ceniza ligera(a), ceniza media-ligera (b), ceniza media-pesada (c) y ceniza pesada (d) son presentadasindependientemente. Los niveles de altura de L1 a L4 se especifican en la Tabla 2.

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Fig. 6: Evolución del total de la ceniza eyectada por el volcán Eyjafjallajokull. La concentraciónde ceniza se presenta en escala logarítmica (log10). Baja, media y alta troposfera hacen referenciaa los niveles de altura para las cenizas (ver Tabla 2).

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Fig. 7: Evolución del total de la ceniza eyectada por el volcán Tambora. La concentración deceniza se presenta en escala logarítmica (log10). Baja, media y alta troposfera hacen referencia alos niveles de altura para las cenizas (ver Tabla 2). Nótese la presencia de vorticidad asociada ala formación de una tormenta tropical en la parte inferior izquierda del dominio de simulación.

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Fig. 8: Dispersión de las cenizas a lo largo de la corriente en chorro polar. Los contornos decolor representan el área cubierta por la ceniza eyectada: en rojo la ceniza pesada, en verde lamedia-pesada, en azul cian la media-ligera y en azul oscuro la ligera; integrando un intervalo dealtura que va de 6783 a 8944 m . Para el mismo intervalo de alturas, la escala de colores hacereferencia a la velocidad media de las masas de aire en la atmósfera. Las flechas representan ladirección local de la velocidad del aire, y su longitud es proporcional al módulo de la velocidadmedia.

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validación inicial de que el modelo refleja elcomportamiento general del transporte de laceniza.

3.1. Concentración de las Cenizas

Con respecto a la concentración de lascenizas, mostrada en la Figura 4 para elcaso del Eyjafjallajokull, y en la Figura5 para el caso del Tambora; el resultadomás evidente a la vista de las gráficas esque el comportamiento de las cenizas entrelos calibres 5 y 1 –correspondientes a lasmás pesadas– es prácticamente idéntico enambos volcanes. En el momento que cesala inyección de ceniza a una determinadaaltura, cae a tierra en un período menor a3 h (frecuencia de salida del modelo). Estose refleja en que las concentraciones mediasdescriben un comportamiento escalonado.

Por contraposición, el comportamiento delos calibres ligeros es muy diferente. Enprimer lugar, para el Eyjafjallajokull laconcentración media es 1 orden de magnitudmenor en todos los niveles que para elTambora. La causa de esta diferencia vienemarcada, como sería esperable, por lapresencia de la corriente el chorro polar ypor una atmósfera baroclínica en el primercaso, lo cual ayuda a la dispersión dela ceniza. Por el contrario, el segundocaso ocurre en una atmósfera barotrópica,sin frentes y con la frecuente presenciade corrientes convectivas ascendentes quecolaboran en la permanencia de la ceniza enla atmósfera.

3.2. Dispersión de la ceniza

Las Figuras 6 y 7 muestran la evoluciónen la dispersión de la ceniza para elcaso del Eyjafjallajokull y del Tamborarespectivamente. La diferencia en la

evolución de la ceniza del Eyjafjallajokully del Tambora es apreciable. Mientrasque en el primer caso se observa unpatrón que se ajusta a la presencia enal zona de la corriente en chorro polar,en el segundo se ve una dispersión nodireccional. Además, para el primero eltransporte se produce a mayor velocidad(en el seno de la corriente en chorro) quepara el segundo. Esta particularidad seobserva claramente en el segundo timestep, donde para el Eyjafjallajokull laceniza ya ha sido transportada fuera deldominio en una cantidad importante y parael Tambora se ha repartido de forma másuniforme. También puede observarse comoel tiempo de residencia en la atmósferaes muy superior en el segundo caso. Estecomportamiento coincide con el registradoen abril de 1815, en el que una erupción VEI7 en el Tambora dispersó en la atmósfera (anivel global) una gran cantidad de ceniza;que permaneció en suspensión un período detiempo aproximado de 3 años, provocandouna bajada de temperaturas medias.

Una mención final a parte merece lanaturaleza de la dispersión de ceniza pormedio de la corriente en chorro, presentadaen la Figura 8. La imagen muestra unacorriente en chorro bien definida en unnivel de altura entre 6783 y 8944 metrosque se encarga de la dispersión zonal de laceniza a lo largo de una amplia extensión2.Puede observarse también como los calibresligeros (azul) son los que más rápidamenteson alejados del punto de erupción, al haberadquirido mayor altura que los pesados.

4. Conclusiones y Discusión

En este artículo se han mostrado losresultados de dos simulaciones para laeyección y posterior dispersión de ceniza

2Estas observaciones corresponden, naturalmente, al tiempo de simulación estudiado. En el caso del Tamboratambién es esperable que se produzca una dispersión de la ceniza a lo largo una amplia extensión, aunque de unamanera mucho más espaciada en el tiempo.

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por parte de un volcán situado en unaatmósfera baroclínica (Eyjafjallajokull) yun volcan situado en una zona tropical conatmósfera barotrópica (Tambora) tomandocomo referencia la erupción real del primeroen el año 2010. Esta erupción causóun elevado impacto económico y socialal provocar el cierre del espacio aéreode parte de Europa durante varios días,demostrando la importancia de conoceradecuadamente la naturaleza de estosfenómenos, así como su evolución. Seprueba que el modelo meteorológico deescala sinóptica WRF, acoplado a un modelode emisión (WRF-Chem) se presenta comouna herramienta útil en esta empresa,habiéndose validado las salidas de estemodelo con imágenes de satélite.

La latitud y altura de las erupcionesvolcánicas son factores determinantes parala forma en la que es transportadoy dispersado el material eyectado. Lalatitud –y también, aunque en menormedida, la continentalidad marcada por lalongitud– será determinante al situar laeyección en una atmósfera baroclínica oen una atmósfera barotrópica. En el primercaso, la presencia de estructuras baroclínicas(y muy especialmente la posible presenciade una corriente en chorro en altura)causarán que la ceniza sea dispersada conmayor velocidad pero también a una grandistancia del punto de eyección. Por elcontrario, en una atmósfera barotrópica, laausencia de fuertes vientos sinópticos y lahabitual presencia de corrientes convectivasharán que el tiempo de residencia de laceniza sea muy superior, y también muyinferior su dispersión a corto plazo (no así,probablemente, a largo plazo).

Una futura mejora de estas simulacionesvendrá dada por el acoplamiento deuna herramienta que permita evaluarlas reacciones químicas, resolviendo la

formación de H2SO4, y el impacto quesu presencia en la atmósfera pudiere tener.Debido a la relativamente alta capacidadde cómputo que la herramienta presentadarequiere, ésta no es idónea para analizarlos efectos de enfriamiento y calentamientoa corto y largo plazo que las erupcionesvolcánicas causan sobre el sistema climático,terreno en el que otras herramientas globaleshan probado una sobrada eficacia.

Agradecimientos

Las simulaciones se han llevado a caboen el Centro de Supercomputación deGalicia (CESGA). Los autores agradecena este centro el soporte y el apoyorecibido en la realización de las mismas.Los autores quieren finalmente agradecerlas aportaciones y críticas constructivasrecibidas por parte de dos revisoresanóminos, que han ayudado a mejorarsustancialmente la versión final del artículo.

Referencias

Dudhia, J. (1989), Numerical study ofconvection observed during the wintermonsoon experiment using a mesoscaletwo-dimensional model, Journal ofthe Atmospheric Sciences, 46(20),3077–3107.

Holton, J. R., and G. J. Hakim (2012),An introduction to dynamic meteorology,vol. 88, Academic press.

Hong, S.-Y., J. Dudhia, and S.-H. Chen(2004), A revised approach to icemicrophysical processes for thebulk parameterization of clouds andprecipitation, Monthly Weather Review,132(1), 103–120.

Jiménez, P. A., J. Dudhia, J. F.González-Rouco, J. Navarro, J. P.Montávez, and E. García-Bustamante(2012), A revised scheme for the wrf

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Blanco-Portals et al., ACT6, 7-20, 2016

surface layer formulation, MonthlyWeather Review, 140(3), 898–918.

Mastin, L., M. Guffanti, R. Servranckx,P. Webley, S. Barsotti, K. Dean,A. Durant, J. Ewert, A. Neri,W. Rose, D. Schneider,L. Siebert,B. Stunder; G. Swanson, A. Tupper,A. Volentik, C.F. Waythomas. (2009), Amultidisciplinary effort to assign realisticsource parameters to models of volcanicash-cloud transport and dispersion duringeruptions, Journal of Volcanology andGeothermal Research, 186(1), 10–21.

Mlawer, E. J., S. J. Taubman, P. D.Brown, M. J. Iacono, and S. A.Clough (1997), Radiative transfer forinhomogeneous atmospheres: Rrtm, avalidated correlated-k model for thelongwave, Journal of GeophysicalResearch: Atmospheres (1984–2012),102(D14), 16,663–16,682.

Salby, M. L. (2012), Physics of theAtmosphere and Climate, CambridgeUniversity Press.

Sammonds P, M. B., and E. Stephen (2010),Volcanic hazard from iceland: Analysisand implications of the Eyjafjallajökulleruption, Tech. rep., UCL Institute for riskand disaster reduction.

Shin, H. H., S.-Y. Hong, and J. Dudhia(2012), Impacts of the lowest model level

height on the performance of planetaryboundary layer parameterizations,Monthly Weather Review, 140(2),664–682.

Sigurdsson, H., B. Houghton, S. McNutt,H. Rymer, and J. Stix (2015), Theencyclopedia of volcanoes, Elsevier.

Stuefer, M., S. Freitas, G. Grell, P. Webley,S. Peckham, and S. McKeen (2012),Inclusion of ash and SO2 emissionsfrom volcanic eruptions in wrf-chem:development and some applications,Geoscientific Model DevelopmentDiscussions, 5(3), 2571–2597.

Thordarson, T., and S. Self (2003),Atmospheric and environmental effectsof the 1783–1784 Laki eruption: a reviewand reassessment, Journal of GeophysicalResearch: Atmospheres (1984–2012),108(D1), AAC–7.

Wallace, J. M., and P. V. Hobbs (2006),Atmospheric science: an introductorysurvey, vol. 92, Academic press.

Webley, P., T. Steensen, M. Stuefer, G. Grell,S. Freitas, and M. Pavolonis (2012),Analyzing the Eyjafjallajökull 2010eruption using satellite remote sensing,lidar and WRF-Chem dispersion andtracking model, Journal of GeophysicalResearch: Atmospheres (1984–2012),117(D20).

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