郑玉权
(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033)
20世纪50年代以来,随着生产技术的高速发展,工农业生产和人类生活排放出的废气、微尘越来越多,如二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)、氟氯烃化合物(CFCS)等,这些气体可让太阳短波辐射自由通过,同时强烈吸收地面和空气放出的红外线长波辐射,从而造成近地层温度升高,我们称这些气体为温室气体,并称这种增温为温室效应。随着人为产生的温室气体排放量不断增加,气候变暖的趋势日益明显,人们担忧温室效应带来的全球生态系统的变化最终将破坏生态平衡,从而威胁人类的健康和生存,因此,全球变暖受到了世界各国的普遍关注。
有数据表明,当前全球平均气温比工业化革命前升高了0.8℃,造成这一现象的“罪魁祸首”是CO2排放量的不断增加。预计到本世纪中叶,地球环境温度将突破上升2℃的“安全底线”,北纬60°的增幅可能达到3.2~6.6℃,全球气候变化的负面效应开始变得非常明显,物种的灭绝速度和数量急剧上升,数亿人的生存受到威胁。因此,如何降低温室气体排放量,降低全球温度上升速度已成为世界各国的重要议题。
在2009年的哥本哈根世界气候大会上,英美等国从减排承诺、减排衡量与核查标准等多方面公开非难、要求中国寻找一种方式来向世界证明自己减排的执行情况,即中国要实现减排的可测量、可报告、可核查,要拿出有说服力的数据面向社会和世界,也就是说中国必须发展自己的温室气体遥感监测系统来获取本国和世界其他国家的温室气体排放数据。
King[2]和 Kaplan 等人[3]分别于 1956 年和1959年提出了卫星红外大气探测原理,据此美国于上世纪70年代设计了高分辨率红外探测器(HIRS),成为卫星遥感用于大气探测业务化的标志[4]。随着传感器技术的发展,光谱分辨率越来越高,传感器的探测能力也逐步得到提高。大气痕量分子光谱仪(ATMOS)是首次采用临边探测方式的高分辨率傅里叶变换(FTIR)星载传感器,它使人类进入了从太空观测大气的新时代[5]。
1996年8月发射的先进对地观测平台(ADEOS)上的温室气体干涉测量计(IMG)是首次采用天底观测方式进行痕量气体探测的星载高光谱FTIR传感器[5]。IMG传感器由日本资源观测系统组织(JAROS)负责研制,它的任务是:精确测定表面温度、大气温度廓线、大气组分CH4、H2O、N2O、CO2和 O3混合比廓线[7]。1997 年 6 月由于太阳能电板的原因,结束了其使命。
进入21世纪以来,随着全球气候变化趋势的不断加剧,国际社会对温室气体排放的关注也越来越高,美国和欧洲等航天发达国家均开展了针对温室气体监测的星载红外高光谱技术的研究,多颗高光谱探测卫星进入运行轨道,并开始发挥重要作用。
目前在轨运行的传感器有:
1999年搭载TERRA卫星发射的对流层污染测量仪(MOPITT)[8];
2002年搭载地球观测系统(EOS)发射的大气红外探测仪(AIRS)[9];
2002年3月1日,欧空局成功地发射了ENVISAT-1卫星,其携带了分辨率达0.035 cm-1的主动大气探测麦克尔逊干涉仪(MIPAS)和大气痕量气体扫描成像光谱仪(SCIAMACHY)[10];
2003年8月13日,加拿大航天局发射了SCISAT-1微小卫星,该卫星的主载荷为一台分辨率为0.02 cm-1的大气化学实验傅里叶变换光谱仪(ACE-FTS)[11];
2004年7月15日,美国NASA发射了对地观测卫星系列中的AURA卫星,其中包含一台分辨率为0.03 cm-1的傅里叶变换红外光谱仪[12];
2006年发射了搭载METOP平台的红外大气探测干涉仪(IASI)[13];
2009年1月21日,日本发射的GOSAT卫星搭载了一台温室气体观测探测器(Thermal and Near-infrared Sensor for Carbon Observation,TANSO),该卫星是一颗用来监测全球大气中CO2和CH4含量的探测卫星[14];
2009年2月,美国NASA第一颗天基大气CO2观测专用卫星OCO(Orbiting Carbon Observatory)发射失败,其中经过8年研制的高光谱仪器是世界各国研究星载温室气体探测仪器的重要经验和基础,OCO-2计划于2013年再度发射[15];
中德合作建立气候任务的CarbonSat卫星星座也在酝酿当中,星座中包括5颗星,能够实现每天无缝观测全球各地CO2和CH4含量一次[16]。
图1 国际主要CO2探测仪状况图Fig.1 Status map of international main green house gases remote sensor
表1 温室气体观测的主要遥感仪器参数对比Tab.1 Parameter contrast of main greenhouse gas remote sensing instruments
在以上这些仪器中,ENVISAT-1平台上的SCAMACHY首次演示验证了卫星观测温室气体的可行性,GOSAT和OCO卫星在技术指标上高于SCAMACHY,测量温室气体的精度得到很大提高,表1列出了近几年能够用于观测温室气体的遥感仪器参数,图1为各卫星能够实现的CO2测量精度,由表1和图1可以看到,OCO的CO2测量精度最高,达到1×10-6(相当于0.3%),GOSAT的测量精度只有4×10-6,SCIAMACHY作为第一台痕量气体探测仪,验证了空间轨道测量痕量气体的可行性,但 CO2测量精度较低,只有14×10-6,需要进一步提高指标,改进测量精度。为了进一步了解各仪器,这里分别简要介绍仪器的工作方式和结构。
SCIAMACHY是搭载在欧洲航天局(ESA)ENVISAT卫星上的有效载荷,于2002年3月发射。SCIAMACHY结合色散棱镜和光栅实现高分辨率光谱大气观测,其测量的光谱从紫外到近红外(240~1 750 nm、1 940~2 040 nm、2 265~2 380 nm),光谱分辨率为0.2~1.5 nm,辐射率相对误差<1%,绝对误差<2% ~4%。SCIAMACHY的主要技术指标如表2所示[17]。
表2 SCIAMACHY的主要技术指标Tab.2 Key technical indexes of SCIAMACHY
Table continued
该仪器采用天底、临边以及太阳/月亮掩星3种探测方式进行观测,其中由天底探测资料通过差分吸收(DOAS,Differential Optical Absorption Spectroscopy)方法反演大气微量气体最为引人瞩目。目前国际上已有大量关于DOAS反演大气温室气体的研究成果发表,反演的气体包括:O3,O2,O2(1D),O4,BrO,OClO,ClO,SO2,H2CO,NO,NO2,NO3,CO,CO2,CH4,H2O,N2O。其中 CH4的反演精度可达到1%,CO2的反演结果受气溶胶影响,其精度有待于进一步验证。
在Nadir观测方式下,SCIAMACHY只观测航天器与星下点之间的大气,见图2。测量的瞬时视场为0.045°×1.8°,扫描区域关于穿轨对称±500 km,每次扫描穿轨1 000 km。前向扫描耗时4 s,紧接着是一个快速的回扫。S/C速度保证了下一次扫描可以与本次扫描所覆盖的区域无缝衔接。根据62.5 ms的积分时间可以得到扫描方向上16 km的空间分辨率。飞行方向的空间分辨率为25 km,由1.8°的瞬时视场和800 km的轨道高度决定。Nadir扫描方式可以测量地球表面和大气的反射光、背向散射光,从而得到大气中微量气体、气溶胶和云的信息。
Nadir观测方式不能提供大气层垂直分布信息,所以需要Limb观测方式来弥补。图2中瞬时视场较宽的一侧(图中黑色区域)与地球水平线平行。此时1.8°的视场角对应着100 km的观察物长度,瞬时视场较窄的一侧(0.045°)提供了对竖直方向2.6 km厚度空气层的观测。为了得到总计100 km的高度观测,需要通过俯仰扫描镜的运动实现从水平面起经过34步的逐层竖直扫描。
图2 SCIAMACHY的3种工作方式Fig.2 Three work modes of SCIAMACHY
为了在Limb方式中观测到用Nadir方式观测的同一大气层,需要水平扫描1 000 km。考虑到地球自转以及对同一大气观测时Limb方式和Nadir方式产生的时间差,在进行Limb方式观测时需要方位偏置。
掩日、掩月测量是指当太阳或月亮正好在SCIAMACHY的视野之内时进行的测量,这时的扫描方式和Limb完全一样,见图2。掩日观测是对吸收光谱观测的最理想方式,它能够在2 s内对太阳进行彻底扫描。较强的光通量使得探测器在较短的积分时间内就能完成工作,所以在这种工作方式下能够得到较高的分辨率,使用相关的算法可以得到竖直方向上1 km的空间分辨率。掩月测量与掩日测量类似,但二者的亮度差别较大[18]。
SCIAMACHY仪器主要由3部分组成[19]:
(1)光学组件(Optical Assembly):SCIAMACHY中最复杂的部分,也是尺寸最大的部分。入射的电磁波被光学系统接收,按波长分为8个通道,并被探测器转为电信号输出。
表3 SCIAMACHY的光谱波段设置Tab.3 Specification of spectrometer in channels and detectors
(2)电子学组件(Electronic Assembly):对整个仪器进行供电、控制和数据处理。
(3)冷却组件(Radiant Cooler Assembly):将探测器冷却到固定的工作温度。
AIRS卫星于2002年5月4日发射,用于预测天气,6年的使用的数据表明,该卫星可以监测天气和气候的变化过程并且可以观测季节性变化的趋势。该仪器是超光谱红外仪器,有2 378个红外通道来测量3.7~15.4 μm波段并且覆盖区(footprint)为13.5 km,光谱分辨率约为1 200。对于红外通道,瞬间视场为0.6°×1.1°,扫描方向是0.6°,轨道高度为 705 km,1.1°相当于在天底时地面上 13.5 km[20]。
AIRS是一个在中远红外(3.7~15.4 μm)拥有2 378个通道,在可见近红外拥有4个通道的高分辨率光谱仪。它是一个拥有高分辨率的光栅光谱仪系统,采用红外剪切技术(Cutting-edge infrared technology)产生大气和地表温度,水汽和云层的一些属性信息等。它于2002年5月发射,用于提供准确和全新的大气、地面、海洋的相关数据,利用大气温度和红外光谱之间的关系研究气候和大气的变化。对流层的温度精度可以达到1 K/km,地表温度平均精度可以达到0.5 K/km。AIRS的主要技术指标见表4。
表4 AIRS的主要技术参数Tab.4 Key technical indexes of AIRS
图3 AIRS仪器结构图Fig.3 Instrument structure of AIRS
AIRS仪器如图3所示,它覆盖的波段为3.74~4.61 μm、6.20 ~8.22 μm 和8.8 ~15.4 μm,分辨率为λ/Δλ=1 200,具有2 378个光谱采样。为了调节空间覆盖范围和校准水平,它包含扫描镜和校准器。
图4 AIRS的组件构成Fig.4 Structure of AIRS
如图4所示,扫描镜旋转360°,每隔2.667 s就可以产生一个扫描线。扫描镜有两个速度:在前2 s时,旋转速度为49.5°/s,产生一条具有90个地面区域的扫描线,每一个地面区域的瞬时视场为1.1°。在剩余的0.67 s中,扫描镜完成具有4个独立视场的整体旋转,视场包括310 K的辐射定标器,光谱参考光源,光度定标器(photometric calibrator)。VIS/NIR光度计的瞬视场为0.185°,它与IR分光计的视轴平行,从而同时观测可见和红外场景的测量。
IR分光计的衍射光栅将整个IR段的光谱分光到17线阵列HgCdTe探测器上,采用光栅的分光级次是3~11级之间。每一个线阵列两行由元素(N=94~192)组成,根据需要选择应用其中一列还是两列。光谱仪在两侧采用被动的热控方式将温度控制在150 K,IR焦面被冷却至60 K,扫描镜被冷却至273 K。IR光学元件和探测器的冷却可以实现仪器所需的灵敏度。VIS/NIR光度计使用光学滤波器来得到400~1 000 nm的光谱带。VIS/NIR光度计无需冷却,工作温度为293~300 K。从IR分光计和VIS/NIR光度计出来的信号通过信号与数据处理电路。另外,AIRS仪器包含指令和控制电路。
图5 AIRS的定标机构与焦面组件Fig.5 Scan head assembly and focal plane array layout of AIRS
AIRS在3.74~15.4 μm之间共有3个通道,平均分辨率约为1 200,实际是从1 086~1 570,探测的3个波带为:3.74~4.61 μm、6.20~8.22 μm和8.8~15.4 μm。可见光的4个通道中每个都有9 pixel的光度计,瞬视场为0.185°,分辨率为2.3 km,采用滤光片作为分光元件。AIRS仪器的光学系统结构见图6[21-23]。
图6 光学系统结构图Fig.6 Structure of optical system
红外大气探测干涉仪IASI(Infrared Atmospheric Sounding Interferometer)是欧洲气象极轨卫星METOP的有效载荷(图7),于2006年10月发射。IASI能够提供大气、陆地、海洋的精确数据,可预报天气并对气候进行研究。IASI提供的垂直方向1 km内的湿度精度为10%、温度精度为1 K[24-25]。
图7 IASI仪器照片Fig.7 Photo of IASI instrument
IASI探测仪基于被动红外探测,它由一台精确定标,工作波段为3.7~15.5 μm的傅里叶变换光谱仪(TANSO-FTS)和一台工作波段在10.3~12.5 μm的红外成像仪组成。光谱仪基于迈克尔逊干涉原理,干涉图像在星上由数据处理单元完成逆傅里叶变换和辐射定标。IASI的主要技术指标如表5所示。
表5 IASI的主要技术参数Tab.5 Specification of IASI
IASI对地球的扫描观测(见图8)是通过一个具有两个转轴的扫描平面镜实现的。主轴α轴实现穿轨扫描,次轴β轴补偿凝视期间卫星的速度,运动补偿速度由α角决定。被探测区域在卫星的扫描驻留时间内保持稳定,对干涉仪的光谱分析至关重要,该仪器的稳像精度优于0.15 mrad。视场角为 ±48°20',在8 s内能够实现全视场扫描,可对深空的和模拟黑体各观测一次。
图8 IASI的扫描工作方式Fig.8 Scanning work mode of IASI
IASI的光学系统中位于干涉仪之后的离轴反射镜将地物成像在一个具有4个孔的视场光阑上,光阑是cold optics的第一个光学面。cold op-tics系统将入射光分为3个波段,每个波段的光有对应的孔径光阑,它们和干涉仪的分束器相对于场景和成像镜共轭,见图9。
图9 IASI光学系统结构图Fig.9 Optical system structure of IASI
GOSAT是一颗用来监测全球大气中CO2和CH4含量的探测卫星,其中进行温室气体观测的探测器 TANSO,主要包含气溶胶成像仪TANSO-CAI(Cloud and Aerosol Imager)和TANSOFTS。TANSO-FTS覆盖0.75 ~14.3 μm 波段的大气光谱,用以精确测量温室气体CO2的浓度分布。0.76 μm波段用来获取氧气浓度。1.6和2.06 μm波段用来观测 CO2浓度,1.6 μm 波段同时用来观测 CH4浓度。5.5~14 μm波段用来再次获得CO2、CH4、水汽和大气温度,以及CO2与CH4垂直廓线。图10为 TANSO-FTS获取全球CO2分布的过程。TANSO-FTS仪器的主要技术指标见表 6,光谱范围较宽,光谱分辨率为0.2 cm-1。
图10 TANSO-FTS获取全球CO2分布的过程Fig.10 TANSO-FTS data retrieval flow
表6 TANSO-FTS主要性能指标Tab.6 Specifications of TANSO-FTS
图11 TANSO-FTS光学系统示意图Fig.11 Optical schematics of TANSO-FTS
TANSO-FTS的光学系统结构如图11所示,由指向反射镜、FTS变换模块、双离轴抛物面系统和4台光谱仪组成,入射光经过指向反射镜后,由角锥反射器产生干涉光进入离轴抛物面反射镜,在抛物面反射镜的焦面处放置视场光阑限制视场,再经过一个短焦离轴抛物面产生准直光,缩小准直光束的孔径,光束再经过3个分束器进入0.76、1.6 和2.06 μm 3 个波段的 TANSO-FTS,采用迈克尔逊干涉仪获得干涉图,利用Si和两块InGaAs探测器接收干涉图,热红外波段光经过成像系统成像在MCT探测器上,MCT探测器采用脉冲管制冷机制冷,两块InGaAs探测器采用热电制冷。FTS的光谱采样分辨率为0.2 cm-1,能达到的光谱分辨率 FHWM分别为0.6 cm-1和0.27 cm-1。
GOSAT卫星还安装了一台云和气溶胶成像仪,用于修正气溶胶和云对 CO2探测的影响。CAI(见图12)用于探测FTS扫描区域云层厚度和空间悬浮物以及CH4对探测造成的影响,因此通过CAI对探测结果进行修正或者丢弃在云层很厚的情况收集的数据。所探测的波段应该是云层和空间悬浮物吸收较小的波段,因此选用了4个波段,4个波段的波长及依据见表7。CAI的4个通道主要由3台望远系统组成,重量为40 kg,功率为100 W。
图12 TANSO-CAI外形图与覆盖宽度Fig.12 Outside view and cover width of TANSO-CAI
表7 TANGO-CAI 4个波段选择说明Fig.7 Spectral band choice illumination
GOSAT于2009年2月9日传回了第一批数据,根据权威部门计算结果显示:GOSAT的数据反演CO2浓度精度并未达到设计指标[(3~4)×10-6]的要求,初步分析结果显示:GOSAT采用对外界使用要求较为严格的TANSO-FTS,对定标技术要求非常苛刻,定标技术不够成熟[26-28]。
OCO(Orbiting Carbon Observatory)卫星是2009年2月美国NASA发射的第一个天基大气CO2观测卫星,历经8年的研发,全部探测任务耗资2.78亿美元,于2002年7月列入NASA地球系统探索计划。卫星整体长为2.12 m,宽为0.94 m,重为441 kg,电功率为 813 W,轨道为705 km太阳同步极地轨道,单轨99 min,回归周期16 d,设计寿命为2 a,降交点时间为下午1∶15,与EOS 的 Aqua、Aura、CloudSat、CALIPSO、PARASOL共同工作,获取地物信息。OCO于2009年2月发射,但是由于用于保护卫星的整流罩发生故障,导致卫星坠入南极洲附近的海域,目前正在进行后续星(OCO-2)的研制,预计2013年发射[29]。
为了提高测量数据的质量和检验数据的可靠性,OCO将采取3种标准的观测模式:天底、闪耀和目标模式,如图13所示。OCO仪器没有指向反射镜,其侧视和俯仰观测通过卫星变姿来完成,整个仪器由1台望远镜和3台光栅光谱仪组成,望远镜是一个孔径为11 cm的卡塞格林系统,带有保护窗口,该望远镜的F数为 1.8,口径为100 mm[30]。
图13 OCO的3种观测模式Fig.13 Three observation modes of OCO
图14 OCO光学系统示意图与三维结构图Fig.14 Optical system schematics and 3D structure diagram of OCO
中继光学系统包括准直镜,折叠镜,二向色分束器,波段分离器,以及二次成像镜。OCO的光学系统结构如图14所示。
每个分光计都包括一个入射狭缝,一个双透镜准直器,一个平面反射光栅和一个双透镜成像镜头。
表8 OCO的主要技术指标Tab.8 Specifications of OCO
3个分光计都采用同样的结构并成为一个固定整体,这样可以提高系统的刚性和热稳定性。它们之间的微小差别表现在镀膜、透镜和光栅上,这是由每个通道具有不同的波段特性决定的。
OCO使用3个1 024×1 024焦平面阵列(FPA)分别测量通过每一个分光计的光。测量频率为3 Hz。在美国研制的OCO仪器中,所采用的探测器是3个 Teledyne H1RG-18 FPA,用一个HyVi SI FPA测量氧气波段,用两个 HgCdTe SWIR FPAs测量CO2波段。
探测器的尺寸、最小光谱采样要求以及视场角确定了系统的焦距和分光计的狭缝尺寸。
OCO光学系统的光传输过程如下:平行光进入望远镜后聚焦在一个视场光阑上,被准直镜准直的光进入中继光学系统,然后通过一个二向色性的光束分束器把不同波段的光分离开来,经过一个窄带滤波器。每个滤波器对每一个波段传播的光进行选择滤波,分别透射CO2和O2所感兴趣的中心波长±1%的波段而阻挡其他不需要的波段。经过滤波器透射的光分别聚焦在各台分光计的狭缝上,每个狭缝长约3 mm,宽约25 μm,这些细长的狭缝产生一个约0.000 1°宽和0.014 6°长的视场。每台分光计的入射狭缝前面的都有一个消偏器,用以阻挡那些不需要的偏振光并将其散射回来,而那些进入分光计入射狭缝的光,被一个二组元透射镜准直,然后被平面反射光栅衍射,经过二元件的成像镜和窄带的滤波器后被聚焦在二维焦平面阵列上。焦平面阵列的温度被冷却至约为180 K,主要用来阻挡来自仪器内部的热辐射。测量系统具体结构见图15。
图15 OCO光学系统观测结构图Fig.15 Structure diagram of OCO optical system
在每个通道中,被分散开的光谱在每个探测器阵列(FPA)的光谱维方向(spectral dimension)投射在所有的1 024 pixel上。而由于狭缝长度的限制,光在FPA的空间维方向上只投射在大约190 pixel上。OCO探测器使用一个190 pixel中的160 pixel来定义沿着狭缝的视场。在一般的科学操作中,FPA以3 Hz频率连续不断地读出数据。为了降低下传数据速率并提高信噪比,在FPA平行于狭缝维方向相邻的20 pixel产生8个空间平均光谱。沿着每一个空间平均光谱合并像元的狭缝角视场约为1.8 mrad(0.1°,705 km轨道天底分辨率约为1.3 km)。狭缝窄带方向的角宽度只有0.14 mrad,将望远成像系统垂直于狭缝方向的角视场放松到0.6 mrad,可以简化3个分光计的视轴配准。
除了在空间维上扩展出8个1 024 pixel空间平均光谱,每个分光计也返回4~20个光谱采样来提提供沿着狭缝方向完整的空间分辨率。每一个完整的分辨率覆盖了FPA上的220 pixel宽。使用这些完整的空间分辨率颜色条纹来探测空间可变性并监测热辐射和仪器的杂散光,见图16和图17[31-33]。
图16 OCO的分辨率和覆盖宽度实现方法Fig.16 Resolution and swath realizing method of OCO
图17 OCO的光谱像元合并方法Fig.17 Spectral pixel admixture method of OCO
温室气体探测是一个长期的观测过程,当前拟议的中德合作CarbonSat卫星星座观测大气CO2的工作即针对在短期内实现CO2探测的全球覆盖,从空间分辨率和时间周期两个方面提出了较高的要求,其能够在24 h内以2 km×2 km的地面分辨率实现全球覆盖观测,5颗星的星座协同工作,一次覆盖地面达2 500 km。
此外,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的动态微镜阵列高光谱仪器也是温室气体遥感探测仪器发展的一个重要方向,这种新型高光谱成像仪可以快速大面积地获取大气成分的高信噪比光谱信息[34]。
从当前的应用需求和技术发展来看,未来CO2及其他温室气体探测技术的发展主要向以下几个方面发展:
(1)高光谱分辨率,提高观测精度;
(2)高空间分辨率,地面分辨率达到1 km×1 km;
(3)宽覆盖范围,覆盖宽度在1 000 km以上;
(4)高信噪比,便于后期反演工作;
(5)短覆盖周期,监视温室气体短期内的变化。
温室气体遥感观测技术可以快速、经济、可重复地获取宏观尺度上大气痕量气体的信息,相对于传统的监测站方式具有无可比拟的优势,欧美发达国家都相继开展了温室气体遥感探测仪器的研究,以期掌握碳排放量的第一手资料,在国际碳减排谈判中占据主动地位。
国内主要有中科院安徽光机所、长春光机所及上海技物所从事该领域的研究工作。其中安徽光机所在中科院重点创新项目的支持下,研究了大气CO2探测中使用高分辨率红外光谱的必要性,并且分析了天基高精度大气CO2探测所需要的工作波段、光谱分辨率和信噪比(SNR)等参数,以此为基础研制了空间外差CO2探测仪样机[35]。
在国家863计划支持下,中科院长春光机所立足现有研究基础,充分借鉴世界先进温室气体遥感探测技术的成功经验,瞄准技术前沿开展工程研究。相信在相关科技人员的共同努力下,该项研究将缩短我国在温室气体遥感探测仪器方面与世界先进水平的差距。
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