Das Edelgasradioisotop 39Ar ist von großem Interesse für die Datierung in Ozeanographie, Glaziologie und Hydrogeologie, da es das einzige Isotop ist, das den wichtigen Altersbereich zwischen ca. 50 und 1000 Jahren abdeckt. Die fundamental neue Messmethode der Atom Trap Trace Analysis (ATTA), welche die 81Kr Datierung zum ersten Mal möglich gemacht hat, besitzt das Potenzial, die Anwendungen von 39Ar zu revolutionieren, indem sie die benötigte Probengröße um einen Faktor 100 bis 1000 reduziert. In einem Vorgängerprojekt haben wir zum ersten Mal gezeigt, dass die Messung von 39Ar an natürlichen Proben mit ATTA möglich ist, allerdings benötigten wir dazu immer noch Tonnen von Wasser. Vor kurzem haben wir anhand von Proben aus ersten Pilotprojekten mit Ozeanwasser und alpinem Eis gezeigt, dass die 39Ar-ATTA (ArTTA) Messung an Proben von ca. 25 L Wasser oder 10 mL Ar oder weniger möglich ist. Dieser Erfolg eröffnet komplett neue Perspektiven für die Anwendung der 39Ar-Datierung, die sehr wertvolle Information ergeben wird, die ansonsten nicht zugänglich wäre. Der Bedarf für solche Analysen, insbesondere im Gebiet der Spurenstoff-Ozeanographie, ist gut etabliert und dokumentiert durch Unterstützungsschreiben von unseren derzeitigen Partnern für ArTTA Anwendungen. Dieser Antrag wird es uns ermöglichen, die weltweit ersten ArTTA Geräte zu bauen, die auf Routinebetrieb mit kleinen Proben ausgelegt sind. Wir streben den Aufbau einer 39Ar-Datierungsplattform an, welche die Anforderungen für die Datierung in den Feldern der Grundwasserforschung, Ozeanographie und Gletscherforschung erfüllt. Um sinnvolle Anwendungen in der Tracerozeanographie zu ermöglichen, wird eine Kapazität von mindestens 200 Proben pro Jahr benötigt. Das neue Gerät für die Forschung wird damit lange angestrebte Anwendungen erlauben, die sonst nicht möglich wären. Basierend auf bisheriger Forschung haben wir einen klaren Plan für den Aufbau einer kompletten Plattform für den Betrieb von ArTTA: Eine neue Probenaufbereitungslinie basierend auf dem Gettern von reaktiven Gasen erlaubt die Abtrennung von bis zu 10 mL reinem Ar aus kleinen (kleiner als 25 L Wasser oder 10 kg Eis) Umweltproben in wenigen Stunden. Diese Proben werden zum ArTTA Gerät transferiert, welches aus zwei Modulen besteht: Das Optik-Modul erzeugt die benötigten Laserfrequenzen und Laserleistung, das Atom-Modul ist der Teil in dem die Atome mit atomoptischen Werkzeugen detektiert werden, die wir im Prototyp aus dem vorherigen Projekt realisiert haben. So weit als möglich wird die Anlage aus zuverlässigen, hochleistungsfähigen kommerziellen Teilen gebaut. Das System wird in einer hochkontrollierten Containerumgebung installiert, was einen modularen Aufbau gewährleistet, der in Zukunft an unterschiedlichen Orten aufgebaut werden kann.
In Folge des globalen Klimawandels hat sich die Meereisdecke in der Arktis dramatisch verändert. Im derzeitigen Zustand spielt die arktische Eisdecke eine wichtige Rolle; so schirmt sie das Oberflächenwasser, die sogenannte arktische Halokline (Salzgehaltsschichtung), von der Erwärmung durch die sommerliche Sonneneinstrahlung ab. Zudem wird die Halokline durch die Salze, welches beim Gefrierprozess des Meerwassers aus der Kristallstruktur austritt, gebildet und stabilisiert. Gleichzeitig wirkt die Halokline als Barriere zwischen der Eisdecke und dem darunter liegenden warmen atlantischen Wasser und trägt so zum Erhalt der arktischen Meereisdecke bei. Dieses Gleichgewicht ist nun durch die insgesamt wesentlich dünnere arktische Meereisdecke und ihre verringerte sommerliche Ausdehnung gestört. Im Meerwasser sind zudem Gase und biogeochemisch wichtige Spurenstoffen enthalten. Diese werden durch die Gefrierprozesse eingeschlossen, beeinflusst und wieder ausgestoßen. So beeinflusst die Meereisdecke die Gas- und Stoffflüsse zwischen Atmosphäre, Eis und oberer Wasserschicht. Durch die Eisbewegung findet außerdem ein Transport statt z.B. in der sogenannten Transpolarendrift von den sibirischen Schelfgebieten, über den Nordpol, südwärts bis ins europäische Nordmeer. Nun wird mit den weitreichenden Veränderungen des globalen und arktischen Klimawandels bereits von der „neuen Arktis“ gesprochen, da angenommen wird, dass sich die Arktis bereits in einem neuen Funktionsmodus befindet. Dabei ist jedoch weitgehend unbekannt wie dieses neue System funktioniert, sich weiterentwickelt und wie sich dies auf die Eisbildungsprozesse und damit die Stabilität der Halokline und die damit verbundenen Gas- und Stoffflüsse auswirkt. Für solche Untersuchungen werden über den Jahresverlauf Proben der oberen Wassersäule und der Eisdecke benötigt. Ermöglicht wird dies durch die wissenschaftliche Initiative MOSAiC. Mithilfe der stabilen Isotope des Wassers (?18O und ?D) aus dem Eis und der Wassersäule kann Rückschlüsse auf die Herkunftswässer und den Gefrierprozess gezogen werden und diese Ergebnisse sollen in direkten Zusammenhang mit Gas- und biogeochemischen Stoffuntersuchungen (aus Partnerprojekten) gesetzt werden. Dabei können z.B. Stürme, Schmelzprozesse, Schneebedeckung, Teichbildung und Alterungseffekte des Eises eine Rolle spielen. Untersucht wird parallel die Veränderung der Wassersäule welche z.B. durch Wärmetransport, wiederum die Eisdecke beeinflussen kann.Diese prozessorientierten Untersuchungen der saisonalen Eisbildungsprozesse in Eis und Wassersäule der zentralen Arktis, werden einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Stabilität der arktischen Halokline und der arktischen Gas- und Stoffflüsse liefern. Da sich die Gase und Stoffe nicht-konservativ verhalten, während die Isotope im Gefrierprozess konservativ sind, erwarten wir aus der Diskrepanz wiederum wichtige Informationen z. B. über wiederholtes Einfrieren von Süßwasserbeimengungen ableiten zu können.
Die stratosphärische Ozonschicht absorbiert die UV-C und UV-B Sonnenstrahlung und schützt damit Pflanzen, Tiere und Menschen vor Strahlenschäden. Durch anthropogen emittierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs) wird die Ozonschicht abgebaut. Da FCKWs seit dem Montrealer Protokoll stark zurückgegangen sind, werden halogenierte Verbindungen wie Chlormethan (CH3Cl), die aus natürlichen Quellen freigesetzt werden, für den Abbau der Ozonschicht in der Stratosphäre zunehmend relevant. CH3Cl ist das am häufigsten vorkommende chlorhaltige Spurengas in der Erdatmosphäre, das für etwa 17% der durch Chlor katalysierten Ozonzerstörung in der Stratosphäre verantwortlich ist. Daher wird CH3Cl vornehmlich die zukünftigen Gehalte an stratosphärischem Chlor bestimmen. Die aktuellen Schätzungen des globalen CH3Cl-Budgets und die Verteilung der Quellen und Senken sind sehr unsicher. Ein besseres Verständnis des atmosphärischen CH3Cl-Budgets ist daher das Hauptziel dieses Projektes.Die Analyse stabiler Isotopenverhältnisse von Wasserstoff (H), Kohlenstoff (C) und Chlor (Cl) hat sich zu einem wichtigen Werkzeug zur Untersuchung des atmosphärischen CH3Cl-Budgets entwickelt. Das zugrundeliegende Konzept besteht darin, dass das atmosphärische Isotopenverhältnis einer Verbindung wie CH3Cl gleich der Summe der Isotopenflüsse aus allen Quellen angesehen werden kann, korrigiert um den gewichteten durchschnittlichen kinetischen Isotopeneffekt aller Abbauprozesse. Dadurch ist es möglich, die Bedeutung wichtiger Quellen und Senken mit bekannten Isotopensignaturen zu entschlüsseln. Eine Grundvoraussetzung für detaillierte Hochrechnungen des globalen Budgets ist die Bestimmung der durchschnittlichen Isotopenverhältnisse von H, C und Cl des troposphärischen CH3Cl. Aufgrund der relativ geringen Konzentration von atmosphärischem CH3Cl von ~550 ppbv stellt dies eine große messtechnische Herausforderung dar. Daher liegt der Schwerpunkt dieses Antrags auf der erfolgreichen Entwicklung von Dreifachelement-Isotopenmethoden zur genauen Messung von atmosphärischem CH3Cl.Im ersten Schritt wird ein Probenahmesystem für große Luftmengen konstruiert und für die Messungen der stabilen Isotopenverhältnisse von CH3Cl optimiert. Das Probenahmegerät wird zunächst im Labor getestet und dann zum Sammeln von Luftproben an drei verschiedenen Orten eingesetzt: an der Universität Heidelberg, am Hohenpeißenberg und im Schneefernerhaus. Die Probenahmen werden über einen Zeitraum von einem Jahr durchgeführt, um möglichst auch saisonale Schwankungen zu erfassen. Die Isotopenverhältnisse der Proben werden mit modernsten massenspektrometrischen Methoden im Labor gemessen. Die Ergebnisse aller Standorte und Zeitpunkte werden in der Gesamtheit evaluiert, um die durchschnittlichen stabilen H-, C und Cl-Isotopenwerte einschließlich ihrer saisonalen Schwankungen darzustellen. Abschließend werden die Daten hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit für komplexe numerische Modelle kritisch diskutiert.
Im Rahmen des hier beantragten 12-monatigen Aufenthalt bei Prof. Dr. T. Dawson werde ich verschiedene Einsatzmöglichkeiten von stabilen Isotopen zum mechanistischen Verständnis von Prozessen in der Ökophysiologie/Baumphysiologie erlernen. Besonderer Schwerpunkt wird hierbei auf dem Studium biotischer Interaktionen und Stoffumsätze im Boden liegen. Anhand von eigenem Probenmaterial aus bereits abgeschlossenen Experimenten werde ich mir zunächst die Probenaufarbeitung, Verwendung der Massenspektrometer und Dateninterpretation von Grund auf aneignen. Während eines etwa vierwöchigen Aufenthalts bei Dr. C. Andersen werde ich in die Handhabung einer Messvorrichtung für unterirdische Untersuchungen an jungen Bäumen eingeführt. Diese 'mycocosms' werden anschließend für die in Berkeley geplanten Versuche eingesetzt. Mit Hilfe der stabilen Isotope 13C und 15N und Messungen der Bodenatmungsraten werden der Fluss an neu fixiertem C von den Blättern in den Boden, der C-Umsatz dort quantifiziert sowie die N- und C-Allokation erfaßt. Die Experimente dienen dem mechanistischem Verständnis qualitativer und quantitativer Änderungen dieser Allokations- und Umsatzprozesse durch Mykorrhizapilze und Konkurrenzinteraktionen. Die erlernten Methoden werden nach Beendigung des Auslandsstipendiums in Deutschland im Rahmen von Projekten eingesetzt, die sich mit der Konkurrenz zwischen Buche und Fichte beschäftigen.
The overarching goal of our proposal is to understand the regulation of organic carbon (OC) transfor-mation across terrestrial-aquatic interfaces from soil, to lotic and lentic waters, with emphasis on ephemeral streams. These systems considerably expand the terrestrial-aquatic interface and are thus potential sites for intensive OC-transformation. Despite the different environmental conditions of ter-restrial, semi-aquatic and aquatic sites, likely major factors for the transformation of OC at all sites are the quality of the organic matter, the supply with oxygen and nutrients and the water regime. We will target the effects of (1) OC quality and priming, (2) stream sediment properties that control the advective supply of hyporheic sediments with oxygen and nutrients, and (3) the water regime. The responses of sediment associated metabolic activities, C turn-over, C-flow in the microbial food web, and the combined transformations of terrestrial and aquatic OC will be quantified and characterized in complementary laboratory and field experiments. Analogous mesocosm experiments in terrestrial soil, ephemeral and perennial streams and pond shore will be conducted in the experimental Chicken Creek catchment. This research site is ideal due to a wide but well-defined terrestrial-aquatic transition zone and due to low background concentrations of labile organic carbon. The studies will benefit from new methodologies and techniques, including development of hyporheic flow path tubes and comparative assessment of soil and stream sediment respiration with methods from soil and aquatic sciences. We will combine tracer techniques to assess advective supply of sediments, respiration measurements, greenhouse gas flux measurements, isotope labeling, and isotope natural abundance studies. Our studies will contribute to the understanding of OC mineralization and thus CO2 emissions across terrestrial and aquatic systems. A deeper knowledge of OC-transformation in the terrestrial-aquatic interface is of high relevance for the modelling of carbon flow through landscapes and for the understanding of the global C cycle.
Das westantarktische Eisschild (WAES) umfasst ein Volumen von 2,2 Millionen km3 und trägt damit zu etwa 10 Prozent am gesamten antarktischen Eisvolumen bei. In der jüngsten Vergangenheit, hat sich diese Volumen allerdings dramatisch reduziert und zurzeit gehört der WAES zu der am stärksten abschmelzenden Region des antarktischen Kontinents. Satellitengestützte Untersuchungen legen den Schluss nahe, dass der WAES mit 86 Prozent den weitaus größten Anteil am Verlust der antarktischen Eismassen über die letzten zwei Jahrzehnte hatte. Sollte sich das Abschmelzen in einer ähnlichen Weise fortsetzen, ist davon auszugehen, dass alleine die Eismassen des WAES den globalen Meeresspiegelanstieg bis zum Ende des Jahrhunderts um einen Meter ansteigen lassen kann. Ein kompletter Zusammenbruch des WAES könnte sogar zu einem Anstieg des Meeresspiegels von bis zu 6 m führen. Computermodellierungen deuten an, dass Zusammenbrüche des WAES wiederholt seit dem späten Miozän aufgetreten sein könnten und sich über geologisch kurze Zeiträume von nur wenigen hundert Jahren entwickeln. Allerdings sind solche Modellierungen mit großen Unsicherheiten hinsichtlich der zeitlichen Entwicklung als auch der Menge der abschmelzenden Eismassen behaftet. Proxydaten, die Informationen hinsichtlich der zeitlichen und räumlichen Ausdehnung des WAES liefern, sind ein vielversprechender Ansatz um zukünftige Änderungen dieser sehr zerbrechlichen aber aus globaler Sicht äußerst wichtigen Region unseres Planeten zu bestimmen. Solche Proxydaten stehen aus der Westantarktis zurzeit jedoch nur begrenzt zur Verfügung. Sedimente, die vom Kontinentalhang der Amundsensee in der Westantarktis während IODP Expedition 379: 'Amundsen Sea West Antarctic Ice Sheet History' genommen wurden, bieten erstmalig die Möglichkeit kontinuierliche Klimaprofile und Profile der Eismassenbewegungen des WAES über die letzten ca. 6.8 Millionen Jahre in einer bis jetzt einmaligen Auflösung zu generieren. In dem hier vorgestelltem Projekt wird ein Multiproxyansatz bestehend aus bulk-geochemischen Methoden, Isotopen und Lipidbiomarkern gewählt um das Verhalten des WAES auf sich verändernde Umweltparameter zu untersuchen und zu bestimmen ob und auf welchen Zeitskalen partielle oder komplette Zusammenbrüche des WAES erfolgten. Im speziellen, soll der erste durchgängige Temperaturrekord der Westantarktis seit dem späten Miozän erzeugt und die Hypothese getestet werden, dass die Rückwanderung des WAES in der Amundsensee im direkten kausalen Zusammenhang mit dem Übergreifen von relativ warmen zirkumpolaren Tiefenwasser auf die Schelfbereiche der Westantarktis steht. Zudem soll untersucht werden, wie aquatische und terrestrische Ökosysteme auf sich verändernde Eismassenverhältnisse reagieren und ob diese Systeme bei einem sich erwärmenden Klima als Quellen oder eher als Senken für Kohlenstoff fungieren.
Seltenerdelemente und Yttrium (SEY), einschließlich Nd-Isotope, werden häufig als geochemische Proxys für frühere und rezente Umweltbedingungen und -prozesse verwendet. In den letzten Jahren wurde die Verwendung dieser Proxys zur Rekonstruktion frühzeitlicher Meerwasserchemie und die Nachverfolgung von Wassermassen in Frage gestellt, da die Primärsignale des Meerwassers in den Sediment-Archiven während der frühen Diagenese überprägt werden können. Die Wechselwirkung zwischen Porenwasser und Festphase kann zur Fraktionierung und Veränderung der SEY-Muster und der Nd-Isotopensignatur führen. Die zugrunde liegenden Prozesse sind noch wenig erforscht. Das Ziel des hier vorgeschlagenen Projekts ist es, aufzudecken, welchen Einfluss die Redox-Zonierung und die Lithologie auf die SEY-Zusammensetzung im Porenwasser und die beteiligten Prozesse im Sediment haben. Zur Beantwortung dieser Frage werden Proben aus der pazifischen und atlantischen Tiefsee, dem Kontinentalrand vor Neuschottland und der Amazonasmündung entnommen, analysiert und ausgewertet. Die SEY-Konzentrationen und die Nd-Isotopenzusammensetzung im Porenwasser, in der festen Phase und im darüber liegenden Meerwasser werden verglichen, um die Fraktionierung, Veränderung und Konservierung der Proxys zu identifizieren. Die vier Lokationen wurden aufgrund ihres unterschiedlichen Organik-Gehalts und der daraus resultierenden Redox-Zonierung sowie des variablen kontinentalen Eintrags ausgewählt. Die vorgeschlagene systematische Untersuchung der SEY im Porenwasser wird die Lücke in der paläozeanografischen Forschung schließen, unter welchen Umwelteinflüssen SEY-Proxys zuverlässig sein können und unter welchen Bedingungen sie nicht zuverlässig sind. Messwerte werden dringend benötigt, da bei Modellierungen und experimentellen Arbeiten keine guten Informationen zu Eingabevariablen und realistischen Randbedingungen vorliegen. Die vorgeschlagene Forschung wird neue Daten zu den bisher wenigen, bis gar nicht, verfügbaren Daten zu SEY-Konzentrationen und der Nd-Isotopenzusammensetzung in (insbesondere oxischen) Porenwässern liefern.
Ziel dieses Projektes ist eine vergleichende, zeitlich hochauflösende Rekonstruktion der Klimaentwicklung im Spätquartär im Bereich der Framstraße (Arktis) und des Riiser-Larsen Meeres (Antarktis). Mit Hilfe von Korngrößenanalysen und Sm-Nd-Isotopendaten, sollen klimagesteuerte Veränderungen in der Geschwindigkeit von Bodenströmungen, sowie der Provenienzen, Transportwege und -mechanismen der Sedimente ermittelt werden. Von großer Bedeutung ist die Unterscheidung zwischen strömungs- und eistransportiertem Sediment. Darauf aufbauend untersuchen wir die Kopplung zwischen thermohalinen Prozessen im Nordatlantik/Europäischen Nordmeer und dem Arktischem Ozean. Im RiiserLarsen Meer soll untersucht werden, ob ein Rinnensystem auf dem Kontinentalhang dem klimagesteuerten Abfluss von auf dem Schelf gebildetem Bodenwasser dient. In diesem Zusammenhang wird auch eine mögliche Verschiebung des Weddellwirbels infolge klimatischer Einflüsse untersucht. Im Vordergrund der Arbeiten stehen die Untersuchung von kontemporären Klimaphasen in der Nord- und Südhemisphäre und die Reaktion des Atmoshäre-Eis-Meer Systems im bipolaren Vergleich.
Wellen- und tidebeeinflusste sandige Strände machen einen Großteil der weltweiten Küstenlinie aus und spielen eine wichtige Rolle für Kohlenstoff-, Nährstoff- und Metallkreisläufe. Während Flut strömt Meerwasser in den Sedimentkörper, ebenso wird organisches Material eingetragen. Im Sediment wird dieses von Mikroorganismen abgebaut, sodass bei Ebbe an Nährstoffen angereichertes Wasser zurück in den Küstenozean strömt, wo die rezirkulierten Nährstoffe zur Primärproduktion genutzt werden. Durch mikrobielle Abbauprozesse entwickeln sich Redoxgradienten, die den Porenwasser-Chemismus prägen. Strände können sich außerdem in einer Mischzone zwischen süßem Grundwasser und Salzwasser befinden (subterranes Ästuar), sodass Salinitätsgradienten die Sediment-Porenwasser-Interaktion beeinflussen. Süßwasser ist zudem eine Quelle für terrestrische gelöste Stoffe. Um die globale Rolle von Strandsystemen in Bezug auf Kohlenstoff-, Nährstoff- und Metallzyklen verstehen zu können, ist es notwendig, biogeochemische Prozesse in Strandsedimenten detailliert und an verschiedenen Stränden weltweit zu untersuchen. Da in diesem Forschungsbereich nur wenige Studien existieren und insbesondere die Quellen- oder Senkenfunktion dieser Systeme bezüglich redoxsensitiver Metalle noch weitgehend unbekannt ist, wird dieses Projekt einen wichtigen Beitrag zur Aufklärung der Metallzyklen in solchen Systemen liefern. Wir planen, biogeochemische Prozesse in den subterranen Ästuaren von zwei kontrastierenden Strandsystemen auf den Inseln Spiekeroog (NW Deutschland, mesotidal, siliziklastisch) und Mallorca (Spanien, mikrotidal, carbonatisch) zu untersuchen. Es sollen Hauptionen, DOC, O2, H2S, Nährstoffe (N, P, C, Si) und Spurenmetalle (Mn, Fe, U, Mo, V, Re) sowie Fe-Isotopenverhältnisse im Strandporenwasser analysiert werden. Wir planen ebenfalls die Sedimentzusammensetzung zu charakterisieren, da diese die Porenwasserzusammensetzung maßgeblich beeinflusst. An beiden Standorten sollen Transekte zwischen Düne und Niedrigwasserlinie bis in 5 m (Spiekeroog) bzw. 2 m (Mallorca) Tiefe hochaufgelöst beprobt werden. Der Fokus des Projekts liegt darin, Redox- und Salinitätsgradienten zu identifizieren sowie deren Auswirkungen auf die Porenwasserzusammensetzung zu interpretieren. Hydrochemische Modellierung anhand der erhobenen Daten soll zu einem besseren Verständnis der Effekte der Mischung von Grundwässern unterschiedlicher Zusammensetzung beitragen. Es sollen quantitative Aussagen zur Quellen- oder Senkenfunktion der Strände bezüglich essentieller Nährstoffe und redoxsensitiver Metalle erarbeitet werden. Fe-Isotopenverhältnisse dienen dazu, das limitierte Wissen über den Fe-Kreislauf in subterranen Ästuaren zu erweitern und die Fe-Isotopensignatur des Porenwasserflusses aus diesen Systemen besser zu definieren. Weiterhin wird diese Studie eine solide Datenbasis für die Modellierung des Porenwasser-Austroms von einzelnen Elementspezies aus permeablen Sedimenten in den Küstenozean liefern.
Die paläoklimatische und paläozeanographische Entwicklung des nordwestlichen Pazifik (ODP Leg 185) soll auf unterschiedlichen Zeitskalen untersucht und mit Daten aus dem Atlantik versehen werden. Anhand von sedimentologischen, mikropaläontologischen, geochemischen und stabilen Isotopen-Daten sollen Veränderungen der Akkumulationsraten klimatisch und ozeanographisch sensitiver Komponenten dokumentiert werden. Diese sollen mit biostratigraphischen und chemostratigraphischen Methoden sowohl im Hinblick auf die langfristigen zeitlich-räumlichen Trends, als auch mit frequenzanalytischen Methoden hochauflösend analysiert werden. Von besonderem Interesse sind die Intensitäten der atmosphärischen Zirkulation und die marine Produktivität sowie deren räumliche und zeitliche Variabilität. Diese Umwelt-Parameter sind vor allem in der Zusammensetzung der Feinfraktion und in den Akkumulationsraten von äolischem Staub, biogenem Opal und organischem Material überliefert. Der Vergleich mit ausgewählten DSDP/ODP-Sites im Atlantik soll Hinweise auf Zirkulationsregime und Wasseraustausch beider Ozeane geben.
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