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CAMBIO DE CLIMA. Episodio II

Pangea, tierra de dinosaurios

Mario Féliz

Mario Féliz, Pensar en Libertad
Octubre 15, 2015

La larga historia de la Tierra ha dejado innumerables rastros que, geólogos, palentólogos y otros han sabido interpretar para contarnos los cambios sufridos por el planeta. Cambios en su geografía, en el clima y en la evolución de la vida [1].

No es sencillo resumir más de 4000 millones de años de transformaciones en pocos párrafos y, por lo tanto, nuestro breve relato se limitará a una visión somera de los últimos 750 millones de años.

Desde bien temprano, el planeta estuvo sujeto a períodos fríos (glaciaciones) y épocas cálidas. Es así que durante el Neo-proterozoico (entre 750 y 580 millones de años atrás) se produjeron varias glaciaciones [2], probablemente las más intensas, tanto que las zonas heladas se extendieron hasta latitudes tropicales. La Tierra casi dejó de ser apta para la vida aunque, haciendo gala de su tozudez, no desapareció. Muy por el contrario, unos 40 millones de años después, se produciría una proliferación de organismos pluricelulares complejos sin precedentes y no supera-da: la explosión cámbrica [3]. Desde entonces la vida se ha caracterizado por sufrir expansiones y depresiones. Aún así las especies se diversificaron de un modo grandioso aunque fueran aniquiladas en cantidades ingentes por ocasionales extinciones en masa.

La primera de ellas se produce unos 100 millones de años más tarde [4] como consecuencia de una nueva glacia-ción. En esos tiempos, los fragmentos de corteza terrestre, los continentes, en su vagar por el globo le daban al planeta un aspecto muy diferente del actual.

Concluida esa era de hielo, un clima cálido y húmedo, por millones de años, permitirá, una vez más, la proliferación de la vida y de los bosques que se extenderán por gran parta de la corteza terrestre.[5]

Es a fines del Carbonífero -300 millones de años atrás- cuando llega un nuevo período frío y con él una nueva extinción masiva. Durante esta glaciación, como durante las anteriores los océanos se retiraron y junto con la menor temperatura, causaron la desaparición de la gran mayoría de las especies marinas. No obstante, ésta no sería la última catástrofe biológica.

Hace unos 250 millones de años, durante la transición entre el Paleozoico y el Mesozoico, tuvo lugar uno de los desastres ecológicos más duros que ha sufrido el planeta. Sucumbieron en unos pocos miles de años (¡realmente muy poco tiempo!) el 85% de las especies marinas y el 70% de las terrestres. Hasta los insectos se extinguieron casi por completo. Como sabemos, las cucarachas zafaron.

Ese cataclismo no parece haber estado asociado, a diferencia de los anteriores, a una glaciación. Para explicarlo existen varias teorías. Las dos con mayor consenso son: la colisión de un asteroide o erupciones volcánicas masivas. Una tercera sugiere que se trató de una muerte por asfixia provocada por una disminución del oxígeno de la atmosfera, que habría reaccionado con la abundante materia orgánica, produciendo dióxido de carbono.

Sin embargo, ya para aquel entonces todos los continentes del planeta estaban unidos, en virtud de la deriva con-tinental, y formaban un supercontinente, Pangea, que  se extendía de polo a polo. Era una tierra plana, sin grandes cadenas montañosas.

Esa fusión de continentes redujo el litoral marino, hábitat de las especies de aguas superficiales, mientras las masas continentales desprotegidas se secaron en su interior. La formación de Pangea, por lo tanto, pudo haber aniquilado las especies de esos lugares por el simple mecanismo [6] de su formación.

A finales del Triásico, hace 208 millones de años, Pangea comienza a fracturarse. Primero se separan dos grandes fragmentos, Laurasia y Gondwana [7]. Estos movimientos tectónicos van acompañados de numerosas erupciones volcánicas y de gigantescas coladas de basalto que surgen de las entrañas de la Tierra, a través de las líneas de fractura. Estos episodios dan lugar a la 4ta extinción masiva que aniquila el 80% de las especies planetarias. Se abre, nuevamente, la puerta de una renovación de la vida animal y vegetal. Este renacimiento traerá consigo a los dinosaurios, que reinarán por más de 100 millones de años.

Los dinosaurios disfrutaron de un clima excepcionalmente agradable por un período inusualmente prolongado. Los bosques se extendieron y enormes superficies se cubrieron de vegetación exuberante. Seguramente, estas condi-ciones benignas contribuyeron al éxito de los reptiles.

Si se observa con atención la figura anterior, se ve que durante Pangea existía un único gigantesco océano que se extendía de norte a sur, sin interrupciones, favoreciendo el intercambio de calor entre los polos y el ecuador, disminuyendo la diferencia de temperatura entre ellos. Al decrecer el gradiente de temperatura, la fuerza impulsora de vientos y corrientes marinas disminuye conduciendo a un clima sin extremos. Esta diferencia era entonces de unos 20 grados Celsius, mucho menor que la que existe en nuestros días. Además la temperatura de las aguas profundas del océano, que hoy rondan los cero grados Celsius, eran cercanas a 15 grados.

Por otro parte, la concentración de dióxido de carbono (CO2), debido al vulcanismo (y probablemente a la mayor temperatura de los mares ) [8] , era entre 4 y 8 veces superior a la del presente. Finalmente, con temperaturas medias entre 7 12 grados Celsius superiores a las actuales el clima era realmente cálido. Sin embargo, la vida pros-peraba vigorosa. Hoy nos dicen que duplicar el CO2 atmosférico nos acarreará innumerables males. ¿Será cierto?

El caso es que, en su interminable derrotero, los continentes se separaban más y más, generando increíbles fenó-menos telúricos -volcanes, desgarramiento de la corteza, emergencia de ríos de lava, colisión de continentes- que transformaron la faz de la Tierra. A medida que el proceso avanzaba el clima se hacía cada vez más frío. Llega un punto cuando la Antártida se instala en el polo sur, el polo norte queda, prácticamente, rodeado de de tierra y el océano Atlántico apenas se conecta, con los otros, por sus extremos.

Alrededor de 65 millones de años atrás los dinosaurios desaparecen [9]. Son así, las victimas notorias de la 5ta extinción masiva, después de dominar todos los rincones del planeta: tierra, aire y océanos. En ver-dad, si los dinosaurios no se hubiesen extinguido, los mamíferos nunca habrían alcanzado a predominar sobre la Tierra y los humanos no hubié-ramos existido. Efectivamente, los mamíferos seguirían siendo pequeñas criaturas nocturnas procurando estar fuera del alcance de los dinosau-rios.

Por fin, hace 30 millones de años la Antártida se cubre de hielo y nues-tro mundo comienza a parecerse al presente. Variaciones climáticas de diverso tono, incluidas nuevas glaciaciones, se han sucedido desde entonces. Sin embargo, ninguno de esos cambios ha acarreado nuevas extinciones en masa. Aunque el juego entre la muerte y la vida, de la mano de las oscilaciones climáticas, no se ha interrumpido.

Del Sol a la Tierra

La mayor parte de la energía que recibe nuestro planeta proviene del Sol y nos llega a través del espacio en forma de radiación electromagnética. Podemos decir que estos rayos de luz son paralelos al llegar a la tierra e impactan plenamente en la zona ecuatorial y  en los polos lo hacen tangencialmente. Esta situación, y la mayor reflexión de los casquetes de hielo, genera un gradiente de temperatura entre los polos y la zona tropical.

Por otra parte, no hay que olvidad que la tierra gira alrededor del Sol y, su vez, lo hace sobre su eje. La órbita que la Tierra describe en torno al Sol es ligeramente elíptica (ovalada) y el sol se ubica apenas desplazado de lo que sería el centro del sistema si la trayectoria fuera circular.

Es de conocimiento común que la rotación de la Tierra sobre su eje da lugar al día y la noche. La supresión de la luz durante la noche hace que las temperaturas desciendan. Además, las diferencias entre las capacidades caloríficas [10] entre la tierra y el mar hacen que la primera, estando más cálida durante la insolación, se enfríe más rápido que el mar durante la noche. El gradiente de temperatura se invierte y se modifica la dirección del viento costero.

Podríamos decir  que el clima cambia cuando pasamos del día a la noche.

Por otra parte, el derrotero de la Tierra alrededor del Sol en órbitas ligeramente excéntricas es la causa del cambio climático que se produce con cada estación.

Un factor que también hay que tener en consideración es que la inclinación del eje de rotación de la Tierra, respecto del plano de su órbita, cambia entre 22.1 y 24.5 grados. Esta variación ocurre con un período de alrededor de 40.000 años. Allí no termina la cosa, debemos agregar otro fenómeno vincu-lado a la rotación terrestre. Para visualizarlo recordaremos cómo se comporta un trompo cuando gira sobre su eje. En algún momento observaremos que comienza a "cabecear" describiendo un círculo. Ese movimiento se denomina precesión y para la Tierra el círculo se completa cada 23.000 años.

La inclinación del eje de rotación y la precesión hacen que las variaciones en la insolación sean más importantes en los polos que en la zona ecuatorial.

Para completar el panorama, diremos que la órbita terrestre varia con el tiempo, se estira y se acorta. Es decir, cambia su excentricidad debido a los efectos gravitacionales de los otros planetas. El período entre la órbita de mayor y la de menor excentricidad es de aproximadamente 100.000 años.

Estos ciclos [11] -cambio de la excentricidad de las órbitas, variación en la inclinación del eje de la Tierra y movi-miento de precesión- combinados producen alteraciones en la radiación solar que alcanza la Tierra influenciando directamente el sistema climático terrestre, por ejemplo impactando en el avance o retroceso de los glaciares.

Todos hemos oído hablar de la edad de hielo, hemos visto alguna película o leído sobre ella. Fue la última glaciación pero no la única de los últimos 500 mil años. Estudiando la relación 16O/18O [12] , que se encuentra en los hielos de la Antártida (Base rusa de Vostok), se puede estimar la  temperatura que tenía el aire cuando la nieve se formó [13].

El resultado muestra que en ese lapso hubo 4 períodos glaciales que se extendieron por aproximadamente  120 millones de años, en tanto que los períodos interglaciales, como el que estamos viviendo, han tenido una duración de unos 15.000 años.

Los factores orbitales que hemos comentado son de importancia definitiva, sin embargo, no alcanzan para comprender como el sistema climático trabaja y para lograrlo es necesario mirar con cierto detalle la Tierra.

El planeta azul

La mayor parte del planeta se halla cubierta por agua, a ello debe su color azul cuando se lo observa desde el espacio, y tenemos una fracción mucho menor de la superficie ocupada por los continentes. Pero, además, la Tierra está rodeada por una delgada capa de gases, retenidos por la gravedad, que llamamos atmósfera. Esa mezcla de gases, el aire, está compuesta principalmente por dos sustancias, un 78% de nitrógeno (N2) y un 21% de oxígeno (O2). El restante 1% lo constituyen el argón (Ar) y trazas de varias sustancias entre las que se encuentra el CO2. Adicionalmente, el aire contiene agua en cantidades muy variables. La atmósfera terrestre es, en cuanto a su composición actual, una consecuencia del desarrollo de la vida.

La atmósfera se encuentra estratificada y su densidad varía con la altura. Esta disminuye a medida que ascen-demos, también  decrecen la presión y la temperatura. Estas variaciones pueden ser advertidas cuando viaja-mos desde terrenos próximos al nivel del mar hasta zonas altas como la Puna de Atacama o cuando volamos en avión.

En la figura precedente se esquematizan las capas de la atmósfera. En la tropósfera la presión es de 1 atm [15] en la superficie, y cae a la décima parte cuando se al-canza el límite con la estratósfera. La línea negra indica que la temperatura disminuye hasta - 60 grados Celsius. Luego se mantiene constante (tropopausa) y finalmente crece hasta alcanzar la estratopausa. Este aumento de temperatura de la estratósfera se debe a las reacciones químicas y fotoquímicas relacionadas con la formación y descomposición del ozono [16]. Para nosotros, por aho-ra, esto tiene importancia para entender que el aire que se calienta en la superficie puede ascender no más allá del punto de inversión de la temperatura.

El rol preponderante de la atmósfera en el clima se relaciona con la tropósfera, que da cuenta del 85% de la masa de aire, y con las capas inferiores de de la estratósfera.

La circulación global

Hemos visto que por causa de la forma esférica de la Tierra y de la inclinación de su eje de rotación, los polos reci-ben menos radiación solar que el ecuador. Eso establece una diferencia de temperaturas, densidades y presiones [17] que impulsa el desplazamiento de masas de aire buscando el equilibrio térmico que se alcanzaría si esas dife-rencias fueran eliminadas. Sin embargo, ello nunca ocurre ya que el flujo de energía es constante. En consecuen-cia, la Tierra es un sistema en estado estacionario lejos del equilibrio. Esto hace que sea muy sensible frente a perturbaciones externas o fluctuaciones internas [18].

En la figura se representan los flujos de aire frío polar superficial que se dirigen hacia el ecuador. Además, se obser-va como el aire ecuatorial calentado en la superficie se eleva y se desplaza hacia los polos [19]. Este mecanismo que redistribuye la energía sería tan simple si la Tierra no rotara, pero lo hace, y ese movimiento induce una fuerza perpendicular a la dirección establecida por el flujo térmico, la fuerza de coriolis.

Para visualizar mejor la situación haremos un experimento casero. Tomamos un recipiente con agua, el centro colocamos otro recipiente con hielo y luego hacemos girar el sistema. Si cortamos la Tierra por el ecuador y una de las mitades la aplastamos hasta hacerla plana, queda un círculo con el polo en el centro, como nuestro recipiente. Para apreciar lo que ocurre agregamos un colorante y vemos que éste dibuja volutas cuya forma dependerá de la diferencia de temperatura entre el centro y la periferia del recipiente y de su velocidad de rotación. Hoy las fotos satelitales nos permiten verificar un comportamiento similar para la Tierra, donde el rol del colorante lo cumplen las nubes. El sistema Tierra es más complicado porque ésta no es plana sino esférica.

La rotación tiene un efecto adicional sobre las capas superiores de la tropósfera  e inferiores de la estratósfera. Se generan corrientes de aire denominados de chorro que circulan en dirección opuesta a la rotación. Sobre los polos, por el mismo efecto, aparecen los denominados vórtices polares. Aunque estos fenómenos ocurren entre 8 y 15 km de altura y la densidad del aire allí es pequeña, los meteorólogos actuales les atribuyen gran influencia sobre los frentes fríos y cálidos que se observan más próximos a la superficie.

En el reciente invierno (2013/2014) en el norte de América las temperaturas fueron extremadamente bajas y el área afectada se extendió muy al sur. Este comportamiento fue atribuido por los meteorólogos a los efectos del vórtice polar con la colaboración de la corriente de chorro. Tales fenómenos ocurren en capas altas de la atmósfera, sin embargo, serían la causa de los frentes fríos que, provenientes del polo, barrían, prácticamente, el continente has-ta latitudes subtropicales. Esta explicación, no obstante, es puesta en tela de juicio por algunos especialistas [20] que consideran que es normal (especialmente en invierno) que el aire muy frío (muy denso) acumulado en el polo migre hacia latitudes más bajas como una masa polar móvil de alta presión (MPH) [21].

Como ese movimiento se produce en las capas próximas a la superficie su desplazamiento se ve fuertemente afectado por la orografía (montañas, valles, etc). Por otra parte, esa migración debe generar una corriente inversa de aire más cálido hacia el polo.  Un comportamiento similar se observa en el hemisferio sur, donde ese retorno de aire cálido explica el "calentamiento" observado en la península antártica [22] .

Merece ser comentado, además, que el vórtice polar sobre la Antártida es mucho más potente y durable que en el Ártico. Ello tiene enorme importancia en la formación del "agujero de ozono".

Aire que sube, baja

La Tierra es un sistema prácticamente cerrado, es decir, no intercambia materia con el resto del Universo. Sólo al-gunos gases muy livianos como el hidrógeno y el helio pueden escapar a la trampa gravitacional y del exterior reci-bimos algunos meteoritos y rayos cósmicos formados por partículas con masa. No está aislado porque intercambia energía. Recibe la radiación solar y la energía que escapa del planeta, que la hay, no puede ser sino radiación electromagnética.

La radiación solar que la atmósfera deja pasar es absorbida por las aguas y las tierras. Esa energía se usa para aumentar la temperatura pero, buena parte, se consume en realizar trabajo. Es decir, se utiliza en mover grandes masas de aire y agua, o en reacciones químicas y en la fotosíntesis, etc.

En el Episodio I mencionamos que las superficies cubiertas por hielo o nieve reflejan casi toda la luz que reciben. Por su parte, las nubes cumplen un rol semejante, aunque difícil de cuantificar porque la cubierta nubosa es muy variable.

El agua es un factor decisivo en la redistribución de la energía y los cambios de estado (vapor, líquido e hielo) son muy importantes en la transferencia de calor entre la superficie y las capas superiores de la tropósfera.

Cuando una porción de aire seco se calienta sobre la superficie se expande, disminuye su densidad y asciende. A medida que se eleva se va enfriando y en algún momento su densidad ha crecido lo suficiente como para que esa parcela de aire descienda. Sin embargo, si tenemos agua, como ocurre sobre el mar, al calentarse su superficie se produce evaporación lo que hace que el aire tenga "humedad". Primero, consideremos que cuando el agua se evapora absorbe calor y contribuye a enfriar la superficie. Y segundo, que el aire que asciende ahora contiene vapor de agua. Como antes al ascender se enfría, pero esta vez el vapor se condensa formando gotas de agua, y en el proceso desprende calor lo que provoca que, el aire a su alrededor, se caliente, haciendo que siga ascendiendo.

Desde luego, en algún momento las gotas formadas son suficientemente grandes y llueve. Importante es notar que si la superficie del océano se calienta más  habrá mayor evaporación y se formarán más nubes y, consecuentemen-te, se reflejará más radiación solar, la superficie recibirá menos energía y la temperatura de la superficie disminuirá.

El lector habrá advertido que estos procesos de convección trasladan calor desde la superficie a las capas supe-riores de la tropósfera y la temperatura allí arriba debería aumentar y el mecanismo descripto se paralizaría. Como ello no ocurre esa energía debe ser derivada a los polos o puede abandonar la Tierra como radiación electromag-nética [23]. En próximos episodios dedicaremos unas líneas a este y otros procesos de emisión de radiación desde la Tierra hacia el espacio exterior.

Es útil agregar aquí que para un gas (aire) la temperatura es una "medida" de la energía cinética media de  sus moléculas. Es decir, que a mayor temperatura las moléculas se desplazan con velocidades más altas y su energía cinética es más grande.

Las figuras que siguen muestran una descripción de los factores que permiten analizar y "predecir" el tiempo (weather) según la ciencia meteorológica oficial [24]. En ellas se pueden ver isobaras (líneas que unen puntos de igual presión), señalados con una H los núcleos de alta presión (anticiclones), con una L se identifican los centros de baja presión (ciclones), con flechas rojas la dirección de los vientos que circulan en las capas altas de la tropósfera, vientos del oeste y del este o de intercambio, por debajo y por encima de la línea ITCZ [25] (Zona de convergencia intertropical). Como se puede observar la ubicación de los centros de alta y baja presión, como la línea ITCZ, cambian según la época del año. En el proceso de redistribución de calor no debe olvidarse el rol de los océanos.

Como vimos [28], en los polos el agua pierde calor, se enfría, aumenta su densidad y se hunde hacia las profundi-dades. Estas aguas densas emigrarán hacia regiones de menor densidad. Los vientos impulsan las corrientes mari-nas superficiales, en tanto que la evaporación aumenta la salinidad del agua (y con ello su densidad). Estas aguas más saladas al acercarse al circulo polar se enfrían y aumenta aún más la densidad precipitándose hacia el fondo oceánico. En la figura están en rojo las corrientes cálidas superficiales y en azul las frías que corren por el lecho marino.

Repasando notamos que la visión predominante sobre la circulación global presta poca atención a los MPH [29], que transportan aire frío desde el polo hacia latitudes bajas. Estos constituyen capas de 1500m de espesor y unos 2500 km de diámetro que se desplazan por zonas delimitadas por los accidentes orográficos. Estos factores geo-gráficos, además, son normalmente ignorados, especialmente en los modelos climáticos.

La circulación general de la atmósfera está rigurosamente organizada, siempre sujeta a los mismos principios físicos y siempre funciona de acuerdo con los mismos mecanismos (en condiciones geográficas bien definidas). Sus variaciones no son, por lo tanto, cambios en su naturaleza sino en su intensidad [30]. Es decir, el clima tiene cierto grado de predictibilidad, por ejemplo la sucesión de las estaciones o, en referencia al paleoclima, la repetición pe-riódica de glaciaciones. Dicho en palabras difíciles, el clima se rige por una dinámica determinista que posee un atractor fractal de baja dimensión lo que explica la variabilidad intrínseca y la impredictabilidad del sistema climá-tico, dado que estas dos propiedades pertenecen a las características más importantes de la dinámica caótica [31]. En fin ¡el clima es un caos pero no tanto!

Creo que, para finalizar, podemos extraer un par de conclusiones. En primer lugar, vimos que un aumento de la temperatura "global" haría que la diferencia de temperatura entre los polos y el ecuador disminuyera o no cam-biara, haciendo el clima menos severo o manteniéndose sin mayores alteraciones. Luego, predicciones en sentido contrario son infundadas.

En segundo lugar, hemos visto que los factores tectónicos y orbitales han sido las principales causas de modifi-caciones importantes en el paleoclima, y lo siguen siendo. Por ejemplo, la variación de temperatura entre el máximo glacial y el período interglacial es de 10 grados Celsius o más.

Por último, conviene aclarar que hay algunos otros factores que afectan el clima, no mencionados aquí. Sin embar-go, serán abordados en próximos episodios.

 Continuará...



Referencias

[1] Historical Geology. J. Erickson, Fact On File, INC.
[2] Historia del Clima de la Tierra, Antón Uriarte. http://www.herbogeminis.com
[3] La sexta extintion, R. Leakey and R. Lewin. Tusquets Editores.
[4] Durante fines del Ordovicico y comienzos del Silúrico.
[5] Estas condiciones se extienden desde hace 450 millones de años atrás hasta los 300 millones de años atrás, es decir durante los períodos Devónico y Carbonífero.
[6] The Cosmic Dance of Siva, Stephen Jay Gould. Natural History 1987.
[7] Nuestra Patagonia donde se encuentran yacimientos fósiles muy importantes formaba parte de Gondwana.
[8] El CO2 se disuelve en el agua. La cantidad disuelta disminuye con la temperatura.
[9] En esos tiempos un meteorito impacta en el actual golfo de Mexico. Se genera  así la hipótesis de que esta fue la causa de la desaparición de los dinosaurios.
[10] Capacidad calorífica es la cantidad de calor que hay que entregar para que una masa determinada aumente su temperatura en 1 grado Celsius.
[11] Reciben el nombre de ciclos de Milankovich. Milutin Milankovich fue un astrofísico serbio que descubrió y estudió en detalle su comportamiento. Ver:http://earthobservatory.nasa.gov.
[12] 16O y 18O son isótopos del oxígeno. Ver: AMENAZA NUCLEAR en http://profefeliz.blogspot.com.ar/2011/11/amenaza-nuclear-fision-y-ficcion.html.
[13] Evidence-Base Climate Science, Don Easterbrook, Ed. Elsevier.
[14] The Earth´s Atmosphere, its Physics and Dynamics, Kshudiram Saha, Ed. Springer.
[15] 1atm = 1013 mb (milibares) = 1013 hPa (hecto Pascal).
[16] El ozono y su agujero es un tema que debe ser tratado aparte.
[17] Nos referimos a la presión hidrostática que ejerce la columna de aire que se encuentra por encima del punto elegido.
[18] La Estructura de lo Complejo, G. Nicolis y I. Prigogine, Ed. Alianza Universidad.
[19] La existencia de una celda que lleva el aire caliente desde el ecuador al polo es una suposición no verificada. Por el contrario, hoy se considera que tal celda de Hadley no pasa de los 40 grados de latitud.
[20] GLOBAL WARMING, The Erring Ways of Climatology, Marcel Leroux, Ed. Springer.
[21] MPH, Mobil Polar High, en inglés.
[22] Ver ref. 20.
[23] Climate, History and the Modern World, H.H. Lamb, Ed. Routledge.
[24] Ver ref.20.
[25] ITCZ, Intertropical Convergence Zone, en inglés.
[26] The Global Climate System, H.A. Brodgman and J.E. Oliver, Cambridge University Press.
[27] Ver ref.23.
[28] Episodio I.
[29] Climate Process Change, E. Bryant, Cambridge University Press.
[30] Ver ref. 20.
[31] Ver ref. 18.


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