Meteorologie

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Meteorologie
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Hans Häckel

Meteorologie

9., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage


Inhaltsverzeichnis

Cover

Haupttitel

Die UTB-Reihe

Inhaltsverzeichnis

Über den Autor

Impressum

Vorwort zur 9. Auflage

Formelzeichen und Einheiten

Bildquellen

Wichtige Wettersymbole

1Atmosphäre

1.1Allgemeines über Atmosphären

1.2Geschichte der Erdatmosphäre

1.3Zusammensetzung der Erd­atmosphäre und wirtschaftlich-ökologische Bedeutung der Atmosphärengase

1.3.1Stickstoff

1.3.2Sauerstoff

1.3.3Argon

1.3.4Wichtige atmosphärische Spurengase

1.4Luftdruck

1.4.1Definitionen und Gesetzmäßigkeiten

1.4.2Luftdruck als Navigationshilfe für die Luftfahrt

1.4.3Reduktion des Luftdrucks auf Meeresniveau

1.5Temperatur der Atmosphäre

1.6Stabilität und Labilität der Atmosphäre

1.6.1Stabile und labile Zustände

1.6.2Atmosphärenschichtung und Umweltschutz

1.6.3Ausbreitungsrechnung

1.7Vertikale Struktur und Temperatur der Atmosphäre

2Wasser

2.1Definitionen und wichtige physikalische Gesetze über das Wasser in der Atmosphäre

2.1.1Feuchtemaße

2.1.2Sättigungsdampfdruck

2.1.3Spezifische Wärme und Volumenwärme

2.1.4Schmelz- und Verdunstungsenergie

2.1.5Rechenformeln und Vergleich der Relativen Feuchte mit anderen Feuchtemaßen

2.1.6Molekularphysikalische Deutung ungewöhnlicher Eigenschaften des Wassers

2.2Phasenübergänge des Wassers und ihre Bedeutung in der Meteorologie

2.2.1Kondensations- und Gefrierprozesse in der Atmosphäre

2.2.2Verdunstung

2.3Erscheinungsformen des atmosphärischen Wassers

2.3.1Dunst

2.3.2Nebel

2.3.3Wolken

2.3.4Niederschläge

2.3.5Beschläge

2.4Niederschlagsverteilung, klimatische Wasserbilanz und Wasserkreislauf

2.4.1Örtliche und zeitliche Niederschlagsverteilung

2.4.2Klimatische Wasserbilanz

2.4.3Wasserkreislauf in der Bundesrepublik Deutschland

2.4.4Wasserhaushalt des Erdbodens im Jahresverlauf

3Strahlung

3.1Definitionen und wichtige Gesetzmäßigkeiten über die Strahlung

3.1.1Lambertsches Gesetz

3.1.2Bouguer-Lambert-Beersches Gesetz

3.1.3Plancksches Gesetz

3.1.4Wiensches Verschiebungsgesetz

3.1.5Stefan-Boltzmannsches Gesetz

3.1.6Strahlungsverhalten der Gase

3.1.7Zusammenfassende Betrachtungen und molekularkinetische Deutung des Planckschen Gesetzes

3.2Von der Sonne ausgehende Strahlung

3.2.1Strahlungsgenuss der Erde

3.2.2Absorption, Streuung und Reflexion

3.2.3Strahlungsumsatz von Atmosphäre, Boden, Vegetation und Gewässern

3.3Von der Erdoberfläche und der Atmosphäre ausgehende Strahlung

3.3.1Definitionen und wichtige Gesetzmäßigkeiten

3.3.2Wirkungen der langwelligen Strahlung

3.3.33.3.3Glashauseffekt

3.4Strahlungsbilanz der Erdoberfläche

3.5Optische Erscheinungen in der Atmosphäre

3.5.1Regenbogen

3.5.2Haloerscheinungen

3.5.3Weitere optische Erscheinungen

4Energiehaushalt der Erdoberfläche

4.1Speicherung von Wärme im Boden und in Gewässern

4.1.1Grundsätzliches zum Wärmetransport im Boden

4.1.2Bodenwärmestrom

4.1.3Bewachsener Boden

4.1.4Wärmespeicherung in Gewässern

4.2Austausch fühlbarer Wärme und latenter Energie

4.2.1Vorbemerkung

4.2.2Fühlbare Wärme

4.2.3Latente Energie

4.3Energiehaushalt als Ganzes

4.4Zusammenhang zwischen Energiehaushalt der Erdober­fläche und Temperatur der bodennahen Luft

5Wind

5.1Grafische Darstellung des Windes

5.2Entstehung des Windes

5.2.1Land- und Seewind

5.2.2Andere kleinräumige Windsysteme

5.2.3Großräumige Windsysteme

5.3Besondere Winderscheinungen

5.3.1Tornados

 

5.3.2Hurrikane, Taifune, Zyklonen

5.4Böigkeit des Windes

5.5Windschäden und Windschutz

5.5.1Schäden durch Druck-, Sog- und Böeneinwirkung

5.5.2Windschutz

6Dynamik der Atmosphäre

6.1Hoch- und Tiefdruckgebiete

6.1.1Thermische Hoch- und Tiefdruckgebiete

6.1.2Dynamische Hoch- und Tiefdruckgebiete

6.1.3Luftmassen

6.2Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre

6.2.1Hochdruckgürtel und Tiefdruckrinnen

6.2.2Passatzirkulation

6.2.3Polare Zirkulation

6.2.4Zusammenfassung der allgemeinen Zirkulation

6.2.5Mit der allgemeinen Zirkulation verbundener Energietransport

6.2.6Jahresgang der allgemeinen Zirkulation

6.2.7Monsune

6.3Beispiele besonderer Wetterlagen

6.3.1Die berüchtigte Dürre- und Hitzeperiode im Sommer 1976

6.3.2Der extreme Kälteeinbruch vom Dezember 1978

6.3.3Beispiel einer Spätfrost-Wetterlage im Mai

6.3.4Beispiel einer Frühfrost-Wetterlage im September

6.3.5Beispiel einer Föhnlage

7Klima

7.1Was ist Klima?

7.2Der moderne Klimabegriff

7.3Klimascales

7.4Weltklima

7.5Makroklima

7.6Mesoklima und Mikroklima

7.6.1Strahlungsverhältnisse im gegliederten Gelände

7.6.2Temperaturverhältnisse im gegliederten Gelände

7.6.3Wind im gegliederten Gelände

7.6.4Niederschlag im gegliederten Gelände

7.6.5Stadtklima

7.6.6Klima im Pflanzenbestand

7.7Klima an Einzelpflanzen und Fensterscheiben als Beispiele für das Spotklima – Grenzschichttheorie

7.7.1Strahlung

7.7.2Temperatur

8Messung meteorologischer Größen

8.1Temperatur

8.1.1Flüssigkeitsthermometer

8.1.2Bimetallthermometer

8.1.3Widerstandsthermometer

8.1.4Messfehler bei der Temperaturmessung

8.1.5Thermoelemente

8.1.6Strahlungsthermometer

8.1.7Messungen der Temperatur im Erdboden

8.2Niederschläge und Beschläge

8.2.1Niederschlagsmesser

8.2.2Registrierende Niederschlagsmesser

8.2.3Niederschlagsmelder

8.2.4pH-Wert-Messer

8.2.5Nebeltraufe

8.2.6Stamm- und Stängelabfluss

8.2.7Benetzungsdauer

8.2.8Schneehöhe und Schneedichte

8.3Luftfeuchtigkeit

8.3.1Haarhygrometer

8.3.2Psychrometer

8.3.3Elektronische Feuchtemessung

8.4Verdunstung

8.5Bodenwassergehalt

8.6Wind

8.6.1Windrichtung

8.6.2Windgeschwindigkeit

8.7Strahlung

8.7.1Sonnenscheindauer

8.7.2Kurzwellige Strahlung

8.7.3Strahlungsbilanz

8.7.4Fotosynthetisch aktive Strahlung und Licht

8.8Luftdruck

8.8.1Quecksilberbarometer

8.8.2Aneroid- oder Dosenbarometer

8.9Flugmeteorologisch wichtige Größen

8.9.1Sichtweite

8.9.2Wolkenuntergrenze

8.9.3Bestimmung der Wolkenmenge

8.10Wetterradar

8.11Nicht bodengebundene Messgeräte

8.11.1Radiosonden

8.11.2Fernerkundung

8.11.3Wettersatelliten

9Veränderungen des Klimas

9.1Vorbemerkungen

9.2Das Klima früherer Zeiten

9.3Informationsquellen über das Klima früherer Zeiten

9.3.1Wettermessgeräte

9.3.2Schriftliche Informationen über das Wetter

9.3.3Indirekte Analyseverfahren

9.4Ergebnisse der Klimaanalysen

9.4.1Die letzten 100 Jahre

9.4.2Die letzten 1000 Jahre

9.4.39.4.3Die letzten 10 000 Jahre

9.4.4Die letzten 100 000 Jahre

9.4.5Die letzten 1 000 000 Jahre

9.5Ursachen der Klimaschwankungen

9.5.1Interne Einflüsse auf das Klima

9.5.2Externe Einflüsse auf das Klima

9.6Das Klima der Zukunft

9.6.1Klimaänderungen nach der Milankovic´-Theorie

9.6.2Anthropogene Einflüsse

9.6.3Klimamodelle

9.6.4Ergebnisse von Rechnungen mit Klimamodellen

9.6.5Möglichkeiten zur Verhinderung und Beseitigung von Klimaschäden

Literaturverzeichnis

URL-Liste

Über den Autor

Prof. Dr. Hans Häckel, 1942 in München geboren, studierte von 1962 bis 1968 Meteorologie an der Universität München. Nach dem Diplom und dem Großen Staatsexamen war er zunächst beim Deutschen Wetterdienst (DWD) in Offenbach in der Wettervorhersage tätig.

1971 übernahm er eine Wissenschaftlerstelle an der Agrarmeteorologischen Forschungsstelle des DWD in Weihenstephan und studierte Landwirtschaft und Gartenbau an der TUM. Nach der Promotion zum Doktor der Landwirtschaft im Jahr 1974 hielt Prof. Häckel von 1975 bis 2007 Vorlesungen an der Hochschule Weihenstephan, später an der TUM über Meteorologie, Agrarmeteorologie und Klimatologie. Von 1976 bis 2003 war er Leiter der Agrarmeteorologischen Forschungsstelle (Niederlassung) Weihenstephan des DWD.

Wissenschaftlich betätigte er sich in den Bereichen Frostschutz, agrarmeteorologische Messtechnik, Feldberegnung, Modellierung agrarmeteorologischer Vorgänge, Agrarklimatologie, Phänologie und agrarmeteorologische Beratung. Neben einer Vielzahl von wissenschaftlichen Publikationen hat er noch eine Reihe von Fachbüchern verfasst.

Impressum

Die in diesem Buch enthaltenen Empfehlungen und Angaben sind vom Autor mit größter Sorgfalt zusammengestellt und geprüft worden. Eine Garantie für die Richtigkeit der Angaben kann aber nicht gegeben werden. Dies gilt insbesondere für die über Links abrufbaren Informationen aus dem Internet. Autor und Verlag übernehmen keinerlei Haftung für Schäden und Unfälle.

Anmerkung zur Schreibweise der weiblichen und männlichen Form: Ausschließlich aufgrund der deutlich besseren Lesbarkeit wird in diesem Werk auf die jeweilige Doppelnennung oder Anpassung der Schreibweise bestimmter Bezeichnungen verzichtet. So stehen die Namen der Vertreter verschiedener Fachbereiche selbstverständlich für alle Frauen und Männer, die diese Berufe ausüben oder vertreten.

Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

© 2021 Eugen Ulmer KG

Wollgrasweg 41, 70599 Stuttgart (Hohenheim)

E-Mail: info@ulmer.de

Internet: www.ulmer.de

 

Produktion: primustype Hurler GmbH | v1

ISBN 978-3-8252-5504-6 (Print)

ISBN 978-3-8463-5504-6 (E-Book)

Vorwort zur 9. Auflage

Die Meteorologie befasst sich mit den physikalischen Vorgängen in der Atmosphäre. Dabei hat sie naturgemäß wichtige Schnittstellen zu allen Geowissenschaften. Klimatologen, Geographen, Geophysiker, Ozeanographen, Geologen, Hydrologen und Glaziologen – sie alle benötigen für ihre Arbeit ein solides meteorologisches Grundwissen. Auch Botaniker, Zoologen und Ökologen können auf fundierte Kenntnisse über die Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und Biosphäre nicht verzichten. Wie wichtig die Meteorologie für Forstwirtschaft, Landwirtschaft und Gartenbau ist, möge die folgende Zahl verdeutlichen: Über 80 % der Varianz der landwirtschaftlichen Ernteerträge lassen sich mit dem Wetter erklären. Auch Garten-, Landschafts- und Städteplaner müssen wissen, welche klimatische Situation sie im Gelände erwartet, und schließlich hat jeder Architekt und jeder Umweltingenieur das meteorologische Geschehen in seinen Planungen zu berücksichtigen. Für sie alle ist dieses Buch geschrieben. Darüber hinaus möchte es Physiker ansprechen, die Meteorologie als Nebenfach betreiben. Weiterhin wendet es sich an Lehrkräfte mit dem Thema Wetterkunde im Lehrplan und nicht zuletzt an jeden, der sich über seinen Beruf oder ein Hobby für diese vielseitige und lebendige Wissenschaft interessiert.

Für angehende Meteorologie-Studierende ist das Buch allenfalls im Bachelor-Studium geeignet. Von ihnen wird ein erheblich tieferes Eindringen in ihr Fachgebiet verlangt.

Das Buch ist in neun Kapitel gegliedert. Das erste befasst sich mit der Geschichte der Atmosphäre und mit ihren Inhaltsstoffen, mit dem Luftdruck, den Stabilitäts- und Ausbreitungsbedingungen und den daraus resultierenden Umweltfragen. Das zweite behandelt die Gesetzmäßigkeiten und Erscheinungsformen des Wassers, das dritte die Sonnen- und Wärmestrahlung. Im vierten Kapitel werden die bis dahin erarbeiteten Gesetzmäßigkeiten zum Energiehaushalt der Erdoberfläche zusammengeführt. Der Wind, der im fünften Kapitel behandelt wird, leitet über zur Dynamik der Atmosphäre mit ihren Hoch- und Tiefdruckgebieten, die im sechsten Kapitel thematisiert wird. Aus ihr ergeben sich im siebten Kapitel die großen Klimazonen der Erde, in die die klimatischen Besonderheiten im Gelände, in der Stadt, in unserer unmittelbaren Umgebung und an Einzelobjekten eingebettet sind. Wie man meteorologische Parameter messen kann, beschreibt das achte Kapitel und das neunte schließlich befasst sich mit natürlichen und anthropogen verursachten Klimaänderungen.

Natürlich können im Rahmen des vorliegenden Buches nicht alle Detailfragen erschöpfend behandelt werden. Hier wird vielmehr ein breiter Überblick über die Meteorologie gegeben, der die Leserschaft befähigt, sich selbstständig weiter zu vertiefen und in Spezialgebiete einzuarbeiten. Dazu dient auch die ausführliche Zusammenstellung wichtiger weiterführender Literatur im Anhang.

Wie auch schon in den früheren Auflagen wurde wieder großer Wert darauf gelegt, die Hintergründe der meteorologischen Gesetzmäßigkeiten zu beleuchten und die großen Zusammenhänge herauszuarbeiten. Hat man diese erst einmal begriffen, dann ergeben sich Details oft als selbstverständliche Konsequenzen.

Die Meteorologie ist in den letzten Jahrzehnten eine stark mathematisch-theoretisch geprägte Wissenschaft geworden. Das schreckt leider viele ab, sich mit ihr zu beschäftigen. Daher wurden in diesem Buch möglichst wenige Formeln verwendet und die unumgänglich notwendigen mit Beispielen aus der täglichen Erfahrung heraus plausibel gemacht. Alle besprochenen Gesetzmäßigkeiten werden mit möglichst vielen und allgemein bekannten Vorgängen belegt. Umgekehrt sollen die uns oft völlig unbewusst begegnenden atmosphärischen Phänomene als Folge bekannter, möglichst einfacher und leicht begreifbarer Zusammenhänge gedeutet werden.

Besonders wichtige Textteile werden aus didaktischen Gründen durch einen ockerfarbenen Balken eingeleitet, blau gedruckt und farbig hinterlegt. Ergänzende Randbemerkungen sind ebenfalls blau gedruckt und hinterlegt, aber mit einem Pfeil und einem thematischen Stichwort überschrieben.

In die vorliegende 9. Auflage wurden wieder einige Neuerungen aufgenommen. Sie sollen helfen, die Meteorologie noch verständlicher darzustellen, denn das oberste Prinzip dieses Buches lautet auch weiterhin: Aktueller Inhalt bei optimaler Verständlichkeit!

Neu ist in dieser Auflage insbesondere, dass über Links externe Quellen aufgerufen werden können. Diese beinhalten einerseits weiterführende Informationen zum laufenden Text, vor allem aber eine Reihe von Power-Point-Präsentationen. Darin werden kompliziertere Vorgänge, z. B. die Geschichte der Erdatmosphäre, das Verhalten von Luftschichten beim Absinken, die Entwicklung von Tiefdruckgebieten oder die Entstehung von Leewirbeln und die Wirkungsweise der „Ablenkenden Kraft der Erdrotation“ vorgestellt – stets in schrittweiser Entwicklung und ausführlich kommentiert. Auch die interessante Formen- und Farbenvielfalt einiger meteorologischer Phänomene wird in Bildern gezeigt und erklärt. Schließlich zeigt eine Präsentation, wie sich der (phänologische) Frühling innerhalb von knapp 100 Tagen über Europa ausbreitet.

Nutzen Sie auch von Zeit zu Zeit den untenstehenden Link und entdecken Sie viele weitere spannende Informationen rund um das Thema Meteorologie.

Die Bücher der Verlagskooperation utb sind preislich so kalkuliert, dass sie auch in Zeiten höherer finanzieller Belastung für die Studierenden erschwinglich bleiben. Das hat zur Folge, dass bei der Zahl der Fotos etwas Zurückhaltung geboten ist. Meine beiden reich bebilderten Ergänzungstitel zum vorliegenden Buch aus dem Hause Ulmer sind aber weiterhin auf dem Markt: „Naturführer Wetter und Klimaphänomene“ und „Naturführer Wolken und andere Phänomene am Himmel“.

Ich bedanke mich bei allen, die durch Fragen, Anregungen oder konstruktive Kritik mitgeholfen haben, das Buch weiter zu verbessern. Mein Dank gilt darüber hinaus dem „Meteorologie-Team“ in Lektorat und Herstellung: Frau Sabine Mann und den Herren Jürgen Sprenzel, Bernd Burkart und Jürgen Reichert für die hervorragende Hilfe bei allen meinen Sonderwünschen und die stets bestens funktionierende Zusammenarbeit. Einen ganz besonderen Dank schließlich verdient Agnes, meine liebe Frau, die mich bei den Arbeiten zur Neuauflage mit allen Kräften unterstützt und in bewundernswerter Geduld begleitet hat.

Ihnen, verehrte Leserinnen und Leser der „Meteorologie“ wünsche ich viele „Aha-Erlebnisse“ und besten Erfolg bei der Arbeit mit dem Buch.


Weihenstephan im Januar 2021Hans Häckel

https://elibrary.utb.de/doi/suppl/10.36198/9783838555041

Von der Mühsal des Schreibens:

Im 8. Jahrhundert schildert der Schreiber des Westgotischen Wörterbuches die Mühsal seiner Tätigkeit und gibt dem Leser Anweisungen:

„O glücklichster Leser, wasche Deine Hände

und fasse so das Buch an,

drehe die Blätter sanft,

halte die Finger weit ab von den Buchstaben.

Der, der nicht schreiben kann,

glaubt nicht, daß dies eine Arbeit sei.

O, wie schwer ist das Schreiben:

Es trübt die Augen, quetscht die Nieren

und bringt zugleich allen Gliedern Qual;

drei Finger schreiben, der ganze Körper leidet.”

(Quelle: Schreibersprüche aus der Ausstellung: „Schreibkunst, Mittelalterliche Buchmalerei aus dem Kloster Seeon.” Kloster Seeon, 1996)

Formelzeichen und Einheiten


SymbolBedeutungTypische Einheit
aabsolute Feuchteg Wasserdampf/m3 feuchter Luft
Alangwellige Ausstrahlung (der Erdoberfläche)W/m2
ÄÄquivalentzuschlagK
AGatmosphärische GegenstrahlungW/m2
BBodenwärmestromW/m2
BvBodenwassergehalt%vol
cspezifische WärmeWs/(g · K)
cpspezifische Wärme der Luft bei konstantem DruckWs/(g · K)
CCorioliskraftN (Newton; 1 N = 1 kg · m · s–2)
CKonstante
dDurchmesserm, cm
Ddirekte SonnenstrahlungW/m2
eDampfdruckmbar, hPa (*)
EEnergieJ, Ws, Joule
ESättigungsdampfdruckmbar, hPa (*)
fFlächem2, cm2
gGewichtN, Newton
GGlobalstrahlungW/m2
GGradientkraftN, Newton
hHöhe bzw. Vertikalkoordinatem, cm
hkKondensationsniveaum, cm
h0Rauigkeitslängem, cm
hvVerdrängungshöhem, cm
HHimmelsstrahlungW/m2
IInterzeptionmm = Millimeter Niederschlagshöhe
J, JoStrahlungsstromW/m2
KKraftN, Newton
lLängem, cm
LStrom fühlbarer WärmeW/m2
mMasseg, kg
mMischungsverhältnisg Wasserdampf/kg trockener Luft
NNiederschlagmm = Millimeter Niederschlagshöhe
NdNiederschlag, der durch einen Bestand hindurch auf den Boden fälltmm = Millimeter Niederschlagshöhe
NSStängel, Stammabflussmm = Millimeter Niederschlagshöhe
OOberflächecm2, m2
pDruck, Luftdruckmbar, hPa (*)
QStrahlungsbilanzW/m2
QWärmemengeWs, Joule
rAlbedo%
rRadiuscm, m
RReflexstrahlungW/m2
RFrelative Feuchte%
sspezifische Feuchteg Wasserdampf/kg feuchter Luft
SSättigungsfeuchteg Wasserdampf/kg feuchter Luft
tExtinktionskoeffizent1/m
Tabsolute TemperaturK
uAustauschkoeffizientg/(m · s)
vGeschwindigkeitm/s
VVolumencm3, m3
VStrom latenter EnergieW/m2
wWegm, cm
WVerdunstungsrateg Wasserdampf/(m2 · s)
WVerdunstungsrateMillimeter Niederschlagshöhe/Tag (= mm/d)
x, yHorizontalkoordinatenm, cm
zVertikalkoordinate (Tiefe im Boden zählt nach unten negativ)m, cm
αLWärmeübergangszahlW/(m2 · K)
δDeklination° (Grad)
τTaupunkttemperatur°C
δDicke der Grenzschichtmm
ΔDifferenzenzeichen
εEmissionsvermögen
ζFaktor der Penmanschen Verdunstungsformel
ηKonstante des Wienschen Verschiebungsgesetzes2899 µm · K
ϑTemperatur°C
ϑfFeuchttemperatur°C
Θpotenzielle Temperatur°C
λWellenlänge (Strahlung)µm
ΛWärmeleitfähigkeitW/(m · K)
νFrequenz, Faktor der Penmanschen Verdunstungsformel
ρDichteg/m3
σKonstante des Stefan-Boltzmannschen Gesetzes5,6698 · 10–8 W/(m–2 · K –4)
ϕgeografische Breite° (Grad)
ψspezifische VerdunstungsenergieWs/g
ωWinkelgeschwindigkeit1/s
EXP(x)ex (e = 2,718 = Eulersche Zahl)
Multiplikationszeichen
(*)1 mbar (Millibar) = 1 hPa (Hektopascal)

Leider lässt es sich nicht immer vermeiden, ein und dasselbe Formelzeichen für mehrere physikalischen Größen zu verwenden. In solchen Fällen wurde jedoch streng darauf geachtet, dass keine Verwechslungen möglich sind.

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