L'image de la terre

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Comment peut-on connaître la nature de la surface du sol et des plantes, mesurer la température de la mer, détecter les bancs de poissons grâce aux satellites qui tournent à 1000 km au-dessus de nos têtes, et parfois beaucoup plus haut ? Comment mesurent-ils la teneur en dioxyde de carbone de l'air, la vitesse du vent et bien d'autres paramètres météorologiques ? L'auteur tente de répondre à ces questions de façon simple, sans entrer dans la description de la construction et du lancement des satellites.
Publié le : vendredi 1 avril 2005
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EAN13 : 9782296395336
Nombre de pages : 168
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L'image de la terre: les satellites d'observation

Biologie, Ecologie, Agronomie Collection dirigée par Richard Moreau
professeur honoraire à l'Université de Paris XIL correspondant national de l'Académie d'Agriculture de France Cette collection rassemble des synthèses, qui font le point des connaissances sur des situations ou des problèmes précis, des études approfondies exposant des hypothèses ou des enjeux autour de questions nouvelles ou cruciales pour l'avenir des milieux naturels et de I'homme, et des monographies. Elle est ouverte à tous les domaines des Sciences naturelles et de la Vie. Déjà parus
André NEVEU, Les grandes heures de l'agriculture mondiale, 2005. Philippe PREVOST (Sous la direction de), Agronomes et territoires, 2005. Claude MONNIER, L'agriculture française en proie à l'écologisme, 2005. Arnaud MAUL, Approche évolutionniste de la sexualité humaine, 2005. Laurent HERZ, Dictionnaire des animaux et des civilisations, 2004. Michel DUPUY, Les cheminements de l'écologie en Europe, 2004. René MONET, Environnement, I 'hypothèque démographique, 2004. IgnacePITTET,Paysan dans la tourmente.Pour une économiesolidaire,2004. Ibrahim NAHAL, La désertification dans le monde. Causes - Processus Conséquences - Lutte, 2004. Paul CAZA YUS, La mémoire et les oublis, Tome L Psychologie, 2004 Paul CAZA YUS, La mémoire et les oublis, Tome II, Pathologie et psychopathologie, 2004. PREVOST Philippe, Une terre à cultiver, 2004. LÉONARD Jean-Pierre, Forêt vivante ou désert boisé, 2004. DU MESNIL DU BUISSON François, Penser la recherche scientifique: l'exemple de la physiologie animale, 2003. MERIAUX Suzanne, Science et poésie. Deux voies de la connaissance, 2003. LE GAL René, Pour comprendre la génétique. La mouche dans les petits pois,2003. ROQUES Nathalie, Dormir avec son bébé, 2003. BERNARD-WEIL Elie, Stratégies paradoxales en bio-médecine et sciences humaines, 2002. GUERIN Jean-Louis, Jardin d'alliances pour le XXIè siècle, 2002. VINCENT Louis-Marie, NIBART Gilles, L'identité du vivant ou une autre logique du vivant, 2002. HUET Maurice, Quel climat, quelle santé ?, 2002. ROQUES Nathalie, Au sein du monde. Une observation critique de la conception moderne de l'allaitement maternel en France, 2001. ROBIN Nicolas, Clônes, avez-vous donc une âme ?, 2001. BREDIF Hervé, BOUDINOT Pierre, Quelles forêts pour demain? Eléments de stratégie pour une approche rénovée du développement durable, 2001.

Pierre de FELICE

L'image de la terre: les satellites d'observation

L'Harmattan 5-7,rue de l'ÉcolePolytechnique 75005 Paris FRANCE

L 'Harmattan

Hongrie

Kossuth L. u. 14-16 1053 Budapest HONGRIE

L'Harmattan Italia Via Degli Artisti, 15 10124 Torino ITALIE

(QL'Harmattan, 2005 ISBN: 2-7475-8232-9 EAN : 9782747582322

SOMMAIRE
Introduction Chap. l Chap. II Chap. III Chap. IV Chap. V Conclusion Bibliographie Sigles Symboles Glossaire
Légendes des figures Table des matières Bases physiques de la télédétection Plates-formes, mouvements des satellites

Surface de la terre Atmosphère Bilan radiatif

1?J-merciements Je remercie Monsieur {e Professeur ~ Moreau qui mJa proposé a {écrirece {ivre et {JJ-{armattan qui en a accepté {e titre. Je remercie aussi tous mes co{{ègues au Laboratoire ae Mé téoro{ogie tIJynamique (IPSL/C:J£~/ f£co{e Po{yteclinique). Ifs mJont aonné beaucoup ae conseifs car ifs ont ae granaes compétences aans {e aomaine spatia{ qu Jifs ont acquises soit en construisant certaines e;rpériences/ comme Sca2(aŒ/ soit en e;rp{oitant aes aonnées sate{ûtaires en vue aJappûcations météoro{ogiques. Je remercie enfin mon co{{ègueet ami Jl{ain 1Ji{tara qui a mis en forme un manuscrit que je maîtrisais mar et Cuia aonné {Joraonnance prescrite avec rigueur par {Jéaiteur.
P. ae ~é{ice

INTRODUCTION
Dès la plus haute antiquité, les chefs des premiers états ont recensé la propriété foncière pour en évaluer le revenu et prélever l'impôt. Le plus ancien recensement connu de ce type daterait de 4000 ans avant J.C. Sa trace a été trouvée sur une tablette, dans le désert d'Arabie, à Telloh. On y voit un plan de la ville de Dunghi, avec des cotes et une description des terres. Les cadastres des communes de France se présentent encore de cette manière: une carte à très grande échelle (1 : 2500 en général) et quelques mots indiquant la nature de la parcelle: pré, bois, vigne, labour, ... et le nom de son propriétaire. On trouve des traces d'anciens cadastres en Chine, en Grèce, à Rome et en France où un cadastre datant de 77 après J.C. fut établi par des agrimensores pour délimiter les lots des terres concédés aux vétérans romains établis dans la colonie d'Orange. L'empereur Valentinien projetait de faire établir un cadastre dans tout l'Empire romain. Au Moyen Age, les cadastres, appelés livres terriers, tracés sans véritable arpentage, étaient rédigés d'après les déclarations des propriétaires, souvent peu précises. Plus tard, des arpenteurs jurés furent créés, qui prêtaient serment aux seigneurs, baillis ou communes. Sous Henri II ils devinrent arpenteurs royaux. Ils étaient environ 10 000 à la fin de l'Ancien Régime. Des portulans ou cartes des côtes rassemblant les observations des marins se répandirent depuis l'Italie à partir du 14ème siècle. Ce sont des cartes nautiques avec abris, îles et amers et des textes décrivant les côtes et les ports. Les Cassini, qui dirigèrent de père en fils l'Observatoire de Paris pendant plus d'un siècle sous Louis XIV, Louis XV et Louis XVI, firent établir des cartes de la France. En 1734, Michel Etienne Turgot, prévôt des marchands, commanda à Louis Bretez, ingénieur topographe, une image de la ville de Paris. En deux ans, celui-ci construisit une carte en

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21 planches. Le système figuratif employé était celui de «la perspective à la cavalière sans point de vue ni point de distance» où tous les monuments et tous les jardins de Paris étaient représentés. Le travail de géomètre, d'arpenteur, de cartographe se faisait avec fil à plomb, niveau, mire, jalons, perche et chaîne d'arpenteur, etc. et, plus tard, boussole. En 1734, le ministre de la marine comte de Maurepas, pour mettre fin à la querelle qui opposait les Cassini à Newton sur la forme de la terre, décida d'envoyer deux expéditions de savants mesurer un arc de méridien. L'une, conduite par Maupertuis et comprenant Clairaut et Celsius, alla en Laponie, et revint bientôt (après deux ans tout de même à marcher dans la neige) avec des résultats qui confirmaient la théorie de Newton, qui annonçait l'aplatissement de la terre aux pôles. L'autre, emmenée par Godin, et qui comprenait notamment Bouguer, La Condamine et Jussieu, alla au Pérou (aujourd'hui Equateur) en Amérique du Sud. Elle y passa neuf ans. Il fallut complaire à l'occupant espagnol, se frayer une voie dans la montagne, s'accorder avec la population, mais le plus délicat pour ces savants fut de s'entendre entre eux. De graves disputent éclatèrent et ils rentrèrent (une partie d'entre eux seulement, car certains moururent en Amérique), par des chemins différents. En juin 1792, l'Assemblée Constituante, voulant faire du mètre une unité de longueur universelle, décida qu'il serait le quart de la dix millionième partie de la longueur du méridien terrestre. Elle envoya Delambre à Dunkerque et Méchain à Barcelone pour mesurer la longueur de la portion du méridien de Paris entre ces deux villes. En sortant de Paris avec ses instruments de mesure, Delambre parut suspect aux gardiens de la porte de la ville et faillit être guillotiné. Méchain fut emprisonné en Espagne. Libéré, il se mit à arpenter en direction de Paris. Rentré en France, un jour qu'il avait entouré d'un drap blanc le clocher d'une église pour le rendre plus visible de loin, d'ardents républicains, voyant dans ce blanc la couleur royale, voulurent lui faire un mauvais parti. Méchain, sagement se hâta d'ajouter du bleu et du rouge à son clocher.

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Arago, pas encore sorti de l'Ecole polytechnique et déjà secrétaire du Bureau des longitudes, fut envoyé en Espagne avec Biot, en 1805, pour y mesurer le méridien. Il fut emprisonné dans ce pays, alla à Alger et ne rentra finalement en France qu'en 1809. Ces exemples montrent combien le travail de cartographe et d'arpenteur est important et combien il était périlleux. Deux inventions allaient le faciliter: la montgolfière et la photographie. Le moine Francesco Lana (1670) avait eu l'idée d'un ballon plus léger que l'air, mais ce furent les frères Joseph et Etienne Montgolfier, papetiers, qui le fabriquèrent. Le 4 juin 1783, la première montgolfière s'élevait de 1000 m dans le ciel d'Annonay (Vivarais, aujourd'hui département de l'Ardèche). Le 19 septembre de la même année, une montgolfière emportait un mouton, un coq et un canard, depuis la cour du château de Versailles, sous les yeux de Louis XVI. La photographie fut inventée par Nicéphore Niepce en 1821. En 1829 son procédé était amélioré par Daguerre. En 1840 Arago, à la tribune de la Chambre des Députés, préconisait l'usage de la photographie aérienne pour la cartographie et en 1855, Nadar (Gaspard Félix Tournachon) photographiait le Petit Bicêtre depuis un ballon captif et déposait un brevet, mais il refusa de faire un usage militaire de sa technique. En 1859, le colonel Laussedat présenta à l'Académie des sciences une méthode pour déterminer les coordonnées de points, basée sur une couple de clichés et proposa un programme de photos aériennes. Il avait développé des algorithmes permettant de passer des distances sur les plaques photos aux vraies distances, en vue de la cartographie. Dans la suite les inventions allaient se multiplier: - 1897, on accroche des appareils de photo automatiques à des cerfs-volants et à des ballons; - 1914, la photogrammétrie, inventée par Laussedat, est largement utilisée dès le début de la guerre, ce qui modifie les techniques de camouflage;

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- 1930, reconnaissances photographiques aéroportées dans l'ouest des Etats-Unis, photogéologie, recherche pétrolière, agriculture; - 1941, usage du proche infrarouge pour la photographie au lieu du rayonnement visible ce qui évite la diffusion par la brume; on invente des camouflages qui imitent la végétation; - 1960, images multi-spectrales (obtenues en utilisant plusieurs longueurs d'onde différentes). La photographie aéroportée, qui s'est développée pendant environ un siècle, a rendu la cartographie beaucoup plus aisée. Les difficultés liées aux populations et aux terrains inhospitaliers rencontrés étaient en grande partie surmontées même s'il existait encore en 1999 des pays ombrageux tels la Chine et le Yémen pour interdire à Picard dans son ballon Breitling le survol d'une partie de leur territoire. L'invention du satellite artificiel allait faire franchir un nouveau pas aux sciences de la terre et leur ouvrir de nouvelles possibilités de recherches. Il semble, d'après Capderoul, que satellite soit un mot latin, peut -être d'origine étrusque, qui signifia soldat, garde du corps, complice, et à qui Kepler, en 1611, a donné son sens moderne en appelant satellites les quatre lunes de Jupiter découvertes par Galilée l'année précédente. Le premier satellite artificiel, selon Capderou, est Ixion. Cette figure mythologique grecque était roi des Lapithes. Jupiter le convia à l'Olympe et lui fit boire l'ambroisie qui rend immortel. Peu reconnaissant, Ixion éveilla la jalousie du roi des dieux qui l'attacha à une roue enflammée et le projeta dans le ciel pour qu'il y tourne à jamais... Dans Les Cinq Cents Millions de la Bégum (publié peu de temps après la guerre de 1870-71), Jules Verne fait construire au savant Dr. Schultze un immense canon pour détruire FranceVille. Un jeune espion Alsacien se glisse dans Stahlstadt, la ville de Schultze, et apprend les projets de celui-ci. Revenu à
1 Capderou, Michel: CNRS, 526p, 2000. Satellites d'observation de la terre, LMD,

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grand peine à France-Ville pour prévenir ses habitants de la catastrophe imminente, il s'avise, au dernier moment, que la vitesse initiale de l'obus sera telle que celui -ci ne retombera pas sur la terre, mais deviendra son deuxième satellite après la lune. On ne peut dissocier les satellites de l'idée d'armement et d'astronautique. En 1903, le Russe Tsiolkovski inventa le moteur fusée à combustion liquide et le train-fusée-cosmique, c'est-à-dire la fusée à étages. En 1923, des spécialistes allemands de l'astronautique discutaient de satellite artificiel tandis que l'on étudiait, déjà, des fusées pour des bombardements intercontinentaux, mais c'est en 1933 que les Soviétiques Kondratiouk et Zander lancèrent la première fusée à propergols liquides. Le Français Esnault-Pelterie, l'Américain Goddard et l'Allemand Oberth avaient avancé l'idée d'un satellite d'observation en orbite autour de la terre. C'est à Peenemünde, en Allemagne sur la mer Baltique, que furent construites et expérimentées, entre 1937 et 1945, les fusées V2. Elles auraient pu porter des coups terribles à l'Angleterre car, à la différence des bombardiers et des VI, sortes d'avions sans pilote, leur vitesse les rendaient à peu près invulnérables. Les bombardements de la Royal Air Force (RAP), dont certains furent faits avec 500 appareils, ralentirent suffisamment la constructions des fusées pour que la fin de la guerre intervienne avant qu'elles ne soient trop nombreuses. On vit alors les Alliés se précipiter vers Peenemünde; les Soviétiques capturèrent les techniciens tandis que Wernher von Braun et la plupart des ingénieurs se sauvaient à l'Ouest. En 1948, le secrétaire d'état à la défense des Etats-Unis, James Forrestal suggéra que les études sur les fusées fussent confiées à un seul organisme, The Earth Satellite Vehicle Program. En pleine guerre froide, Forrestal avait en vue des applications militaires: pouvoir bombarder l'ennemi si éloigné soit-il. Aujourd'hui les bombardiers à turboréacteurs et demain les bombardiers à moteurs fusées sont et seront plus économiques et aussi efficaces que les satellites contre un adversaire lointain. Le satellite est un poste d'observation

Il

excellent. Remarquons que ce fut comme observateurs d'artillerie que les avions militaires furent utilisés pendant la guerre mondiale 1914-1918. Le premier congrès d'astronautique se tint à Paris en 1950 et seize mémoires traitant d'astronautique furent présentés à Londres l'année suivante. Le président Eisenhower annonça la prochaine mise en orbite d'un satellite d'observation de la terre pendant l'Année géophysique internationale qui devait se dérouler entre juillet 1957 et décembre 1958 mais ce furent les Soviétiques qui lancèrent Spoutnik-l le 4 octobre 1957. Le public américain y vit un nouveau Pearl Harbor et la NASA (National Aeronautic and Space Administration) fut créée le 1er octobre 1958. Le 12 avril 1961 les Soviétiques mettaient Youri Gagarine en orbite autour de la terre. C'en était trop pour les Américains et le 25 mai 1961, le président Kennedy annonçait au Congrès qu'avant la fin des années soixante les Etats-Unis enverraient un homme sur la lune et l'en ramèneraient, ce qu'ils firent en 1969. Je ne poursuivrai pas plus outre ce rappel historique de la conquête de l'espace. Des milliers de satellites ont été lancés depuis quarante ans et les énumérer serait fastidieux. Je préfère revenir à l'objet de ce livre qui est la description des possibilités ouvertes par les satellites pour l'exploration de la terre. Les satellites sont utilisés pour la tectonique et la mesure des risques sismiques et volcaniques. Ils donnent accès à la structure et à la forme des terrains, à la nature des minéraux constituants les roches et les sols. Ils aident à l'exploration minière et pétrolière. Les milieux côtiers et les mers proches des côtes sont des zones économiques importantes auxquelles le développement des activités humaines peut faire courir des risques d'altération. Des satellites donnent accès à une résolution spatiale et temporelle qui permet une analyse des phénomènes de surface du plateau continental.

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L'observation spatiale offre des perspectives intéressantes dans le domaine de l'hydrologie continentale: bilan de masse d'eau (lac, cours d'eau, humidité du sol, nappe phréatique, zone inondée), répartition des précipitations, topographie des bassins versants, rugosité, porosité, érosion des sols, transferts verticaux de vapeur d'eau entre le sol, la végétation et l'atmosphère. L'étude de la cryosphère est rendue bien plus aisée grâce aux satellites: calottes polaires, glaces flottantes sur les mers, lacs et rivières, glaciers de montagne, neige, sols gelés. Les satellites sont une aide précieuse pour l'étude des courants, des vagues, de la température, de la qualité de l'eau et du phytoplancton. Ils permettent une surveillance des déversements d'hydrocarbures, de l'érosion des côtes, ... L'exploration de l'atmosphère par satellite est probablement l'application la plus connue de la télédétection, grâce aux animations que donne la télévision. On ne trouvera pas ici une description des techniques spatiales. Il ne sera pas parlé de la construction des fusées qui mettent les satellites en orbite. On ne décrira pas davantage la fabrication des capteurs qui mesurent les intensités des radiations en provenance de la terre. Le temps de la construction et de l'étalonnage d'un radiomètre* installé sur un satellite peut être de plusieurs années. Il arrive parfois qu'entre la conception et le lancement d'un capteur, la technique ait tellement progressé que les composants utilisés soient déjà, en quelque sorte, périmés au moment où il commence à fournir des mesures. L'étalonnage de ces capteurs, leur contrôle en vol ne seront pas évoqués, non plus que les corrections que l'on doit apporter à leur dérive. On ne dira rien du stockage des observations dans le satellite ni de leur transmission vers le sol. On s'intéresse aux méthodes par lesquelles, à partir de puissances électromagnétiques mesurées par les capteurs des satellites, provenant de points de la terre, on peut connaître quelques éléments qui permettent de mieux la décrire. Pour comprendre ces méthodes il faut savoir comment les radiations captées par les radiomètres à bord des satellites sont émises, transmises, absorbées, réfléchies, diffusées et

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polarisées, ce qui est fait au premier chapitre. On décrit les propriétés optiques de certains gaz atmosphériques, de l'océan et de la surface des continents en y incluant la végétation. Au deuxième chapitre, on décrit les mouvements des satellites et ceux des radiomètres qu'ils portent afin de viser la cible qui leur est assignée. Le troisième chapitre passe en revue quelques méthodes grâce auxquelles on fait correspondre aux mesures radiométriques des paramètres terrestres. Les applications des mesures satellitaires Ge préfère satellitaire à satellital, car lune donne lunaire, soleil donne solaire, étoile donne stellaire, etc.) sont très nombreuses. Pour le seul satellite Spot, le nombre d'algorithmes répertoriés pour le traitement de ses mesures était d'environ 1400, dans les années quatre-vingt-dix. Il est donc impossible de décrire tous les usages qui sont faits des données recueillies par les satellites. On se contente de passer en revue les différentes disciplines liées à la géomatique, mot nouveau qui prétend inclure tout ce qui concerne les mesures relatives au globe terrestre avec ses enveloppes fluides. Toutefois l'auteur, qui connaît un peu mieux les techniques de traitement des données satellitaires appliquées à la connaissance de l'atmosphère plutôt qu'à la géodésie ou à l'agriculture, par exemple, s'attarde sur celles-là avec plus de détail dans le quatrième chapitre. Il le fait d'autant plus volontiers que certaines d'entre elles sont popularisées par les bulletins météorologiques qui passent à la télévision au point que bien des spectateurs peuvent se demander comment la prévision du temps était possible avant le lancement des satellites.
Un grand nombre de termes relatifs aux satellites et à la télédétection sont anglais; une commission de terminologie de la télédétection aérospatiale, dépendant de l'Académie française, a publié les mots et expressions français

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correspondants2 et je m'en servirai le plus souvent possible. S'ils n'appartiennent pas au langage courant, ils sont suivis d'un astérisque lorsqu'ils apparaissent pour la première fois ou lorsqu'ils apparaissent à nouveau loin de l'endroit où on les a d'abord rencontrés. Tous ces mots ou expressions sont expliqués dans un glossaire situé à la fin de l'ouvrage, où ils sont classés par ordre alphabétique. Les sigles sont répertoriés et explicités à la fin de l'ouvrage dans l'ordre alphabétique de leur version française, quand elle existe; on en donne aussi la forme anglo-saxonne. Les symboles utilisés couramment en physique et en géophysique sont explicités et on en donne, éventuellement, la valeur. Ce livre est, pour une bonne part, un travail de synthèse d'ouvrages, articles, rapports parus dans diverses revues françaises et étrangères, ou recueillis dans des sites Internet, de sorte qu'y figurent de nombreuses références. Celles-ci apparaissent dans le texte par le nom du premier auteur, parfois aussi par le titre de l'ouvrage, suivi d'un chiffre. Celui-ci est reproduit en bas de page et il est suivi de la référence exacte, dans la forme qui est recommandée par le Journal of Geophysical Research (lOR) qui est une revue dans laquelle sont publiés beaucoup d'articles relatifs aux satellites. On donne successi vement le ou les auteurs, le titre de l'article, le nom de la revue, abrégé selon l'usage, en caractères italiques, le numéro du volume, les numéros des première et dernière pages et l'année de parution; pour un livre, on donne le ou les auteurs, le titre de l'ouvrage en caractères italiques, l'éditeur, éventuellement le nombre de pages, et l'année de parution. Les sites Internet sont référencés par un nombre dans le texte; leur
Conseil international de la langue française: TernÛnologie de la télédétection et photogrammétrie, Presses Universitaires de France, Paris, 455p, 1997. 2

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adresse complète se trouve à ce nombre en bas de page. Toutes les références de bas de page sauf celles qui sont relatives aux sites Internet sont rassemblées dans la bibliographie où elles sont classées par ordre alphabétique du premier auteur. Les sites Internet référencés et quelques autres sont rassemblés après la bibliographie. A l'époque d'Internet on peut se demander à quoi bon un livre? Il suffit de taper Landsat, Spot image, Noaa, etc. sur un ordinateur pour accéder à toutes informations sur tous les satellites, beaucoup plus aisément et de façon beaucoup plus complète qu'en parcourant un livre. On obtiendra, de surcroît, de très belles images qui font rêver, mais qui grèveraient le budget de l'éditeur s'il les reproduisait. A quoi bon un livre, donc? Celui-ci a pour but de présenter brièvement et de façon ramassée ce que les satellites peuvent nous apprendre sur la terre et ses enveloppes végétales et fluides. J'essaie de décrire quelques algorithmes grâce auxquels on passe des mesures radiométriques à la forme de la terre et de la surface des océans, aux espèces des plantes qui couvrent le sol, à sa température et aux paramètres qui décrivent l'état de l'atmosphère. C'est cet effort d'explication qui, je l'espère, justifie ce livre.

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