Chapitre Paléoclimat

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Chapitre 4 - Paléoclimat CHAPITRE 4 THEME «PALEOCLIMAT ET PALEO-ENVIRONNEMENTS» Bulles d'air dans une lame mince de la carotte EDC. Crédit : L. Simion 74

  • reconstruction des climats

  • méthode d'extraction et de piégeage des gaz dans la glace pour l'analyse

  • couplage entre le modèle de calotte du lgge avec le modèle de climat climber

  • développement

  • question de la validité et de la calibration du thermomètre isotopique

  • glace basale de vostok

  • collaboration sur les propriétés physique du névé et de la glace

  • validité des échelles de temps relatives de vostok


Publié le : lundi 18 juin 2012
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Paléoclimat Chapitre 4 -
CHAPITRE 4
THEME «PALEOCLIMAT
ET PALEO-ENVIRONNEMENTS»
d'air dans une lame la carotte EDC. Crédit : L. Simion Bulles mince de
74 Paléoclimat ; Chapitre 4 -
axes de recherche S Principaux
Variations du climat et des Datation des reconstitution des atmosphères forages,
� et -accumulations passées paléo-températures
Reconstruction du climat et des bio- cycles a Modélisation de l'écoulement des
� Grands cycles climatiques ,,,��� e Modélisation des locaux phénomènes D . , glaciation et Holocène
� des naturel, mise en évidence de la Représentativité chronologies anthropique de la naturel, mise
.��......� .. névé
air ase glace) 7 � Relation entre hautes et basses latitudes ( ase
Modélisation 1. due l'interaction . � ...... cryosphère - ION
� Interaction calotte - lacs pro-glaciaires Reconstitution de l'environnement � Rétroaction du éolien lie a sous-glaciaire : approche biologique transport et
du lac Dynamique cryosphère en Asie (période glaciaire) � Rôle de la dans le cryosphere système � 0 Mécanismes Mécanismes a à l'interface 1 interface lao - glacier lac-glacier climatique 1 1
Personnel du total (% temps par personne)
Chercheurs CNRS Enseignants
Bamola Animateur 65 chercheurs J.-M.,
50 Boutron C. 40 ChappellazJ.
Delmas. 20 Ferrari C. 10
Krinner. 40 10 Gagliardini.
Martinerie P. 30 Morel-Forcade M.C. _50__________
Parrenin F. 70 Chercheur IRD
Petit J.-R. 70 (Great-Ice)
55 10 Raynaud. Wagnon P.
Ritz C. 35
Savarino J. ^0
ITA ITA (CNRS) (UJF)
De 50 Sacchettini M. 40 M., Angelis suppléante
Teste G. 75
Doctorants CDD
100 C. AballainO. (1999-2002) Goujon 70(2001-2002)
Baroni M. 70 Nourtier-Mazauric E. (2003-2006) 100(2004-2005)
Bernard S. 100 (2002-2005)
Bellier,. 100 Autres (2001-2004)
Bonnaveira H. 100 Alekhina 1. Invités (2001-2004) réguliers
Delmonte B. 100 Bulat S. dans le cadre du (2000-2003)
Durand G. 30 GRD Vostok (2001-2004) Lipenkov V.
Gabrielli P. 100 (2002-2005)
L. 100 Loulergue (2004-2007)
100 Peyaud V. (2003-2006)
SturmC. (2002-2005) 100
75 4 - Paléoclimat Chapitre
Chercheurs et Professeurs invités
MAK de 11 mois de février 2002 à John Université (Docteur, Brook, NY, Stony USA),venu
février 2003 : mise au d'une méthode des stables du de d'analyse point isotopes monoxyde
dans le cadre du carbone, projet européen Cryostat.
HOU des Sciences Chinoise à venu 6 mois de à Shugui (Académie Lanzhou, Chine) janvier
2003 et un mois en 2005 : des d'un sur le Mont Everest et sur juin juillet analyse gaz forage
celui du Col du Dôme.
de venu 1 mois en 2005 Carlo BARBANTE a l' Universite Ca'Foscari (Professeur Venise)
la rédaction commune de articles. Ce a aussi de nombreuses pour permis plusieurs séjour
réunions de consacrées notamment aux thèses en co-tutelle d'Alexandrine Marteel et travail,
Antonella de Boni .
Bill STURGES UEA - venu 1 mois en 2003 : tests d'une méthode (Docteur, Norwich)
d'extraction et de des dans la de piégeage gaz glace pour l'analyse composés organiques
+ volatils et de Travail sur la diffusion des dans le névé. composés organo-halogénés gaz
Cadre : CRYOSTAT en est le projet européen (Bill Sturges coordinateur).
Nicolas VASSILIEV Institut des Mines de Saint venu 3 semaines en (Docteur, Petersbourg)
2002 travailler le 1000m avec les services sur carottier pour techniques.
Takeo HONDOH Université de venu 1 semaine en 2005, (Professeur, Sapporo) juin
collaboration sur les du névé et de la propriétés physique glace . ._________________
collaborations Principales
Nationales 1 nternationales
Université Libre de Bruxelles (B) de Berne (CH)
Université Venise (I) de Florence (I)
Université de (DK) Copenhague d'East Anglia (UK)
British Antarctic Survey, Cambridge (UK)
Godwin (UK) Laboratory, Cambridge
Alfred Bremerhaven Institut, Wegner (G)
Institut Max-Planck de Heidelberg (G)
MPI fur Meteorologie, Hamburg (G)
LSCE-climat Université de Stockholm (S)
Institut de la Brest Institut de Gatchina mer, Nucléaire, Européen Physique
Université Claude Bernard, (Russie) Lyon
UR Great Ice de l'IRD Arctic and Antarctic Research St Institut,
Petersourg (Russie)
Antarctic CRC de Hobart (AU)
Université de Vancouver (WA, USA) PennState (USA)
Académie des Sciences Chinoise (CN)
China Meteorological Organization (CN)
Universidad de San Andrés - La Paz Mayor
(Bolivie)
Nûcleo de Antàrticas e Climâticas Pesquisas
- Porto (Brésil) Allegre
Instituto National de Pesquisas Espaciais -
Cachoeira Paulista (Brésil)
76 Paléoclimat Chapitre 4 -
collaborations Principales
nationaux internationaux Programmes Programmes
CRYOSTAT (contrat européen)
EPICA (contrat européen)
POP (contrat ECLIPSE
EPICA-MIS (contrat européen) PNEDC
ACI « Jeunes chercheurs » Euroclimate (ESF) u PICS « CLEAH » franco-chinois
bilatéraux EGIDE Projets
GDRE franco-russe
Autre financement
Prix de la Fondation BALZAN (C. Lorius)
77 Paléoclimat Chapitre 4 -
Au cours des dernières les efforts du thème PALEO se sont articulés autour de années, quatre
la reconstruction des climats et et sur l'interaction existant entre les atmosphères passés deux,
en lien avec un effort de modélisation destiné à affiner et caler les établir, important
ainsi les différentes du chronologies, qu'à représenter composantes système cryosphère -
climat. Cette activité s'est inscrite non seulement dans les grands programmes européens
GRIP et EPICA et dans celui de North-GRIP en a directement mais aussi dans découlé, qui
des résultant de collaborations comme les andins programmes bipartites Berkner, forages
initiés ou les Deux novateurs ont été l'étude par l'IRD, forages himalayens. développements
et des environnements et biologique physico-chimique sous-glaciaires (Lac Vostok) l'analyse
des retombées de des isotopique volcaniques (traçage l'importance éruptions).
Nous avons étudié les variations du climat et de la composition atmosphérique passés
à de carottes de en établissant et en discutant les de 1) (point partir glace, profils proxies
des et réservoirs à échelles de La échelle représentatifs principaux cycles plusieurs temps. première
aux abordée à la carotte de Vostok mais aussi et correspond grands cycles climatiques (1. 1.), grâce
surtout aux nouvelles carottes du et en celle de Dôme C EPICA, (740 grâce programme particulier
000 dont ne fait commencer. La seconde échelle couvre la récente ans) l'exploitation que période
allant de la dernière la Elle se glaciation jusqu'à perturbation anthropique (inclue). distingue
des la les et informations détaillées donnant de par plus possibilité régionaliser signaux (1.2.)
d'étudier finement la télé-connexion Nord-Sud de la (1.3.). L'incorporation perturbation
dans ce d'études se l'utilisation des mêmes anthropique type (1.4.) justifie par proxies qu'aux
échelles de et la nécessité de caractériser finement le bruit de fond naturel et ses grandes temps par
fluctuations évaluer de l'activité humaine et ses Notre pour l'impact conséquences potentielles.
a sur travail s'est focalisé sur les mais une régions polaires, part significative également porté
les froids des de basses latitudes dont on sait un rôle tant clé, glaciers régions plus qu'elles jouent
au niveau des flux d'émission ou de dans la elle-même. La dépôt que dynamique atmosphérique
collaboration en cours avec de l'UR Great Ice de l'IRD en accueil au LGGE nous a en l'équipe
de travailler sur la de du Sud dont l'influence s'étend particulier permis partie tropicale l'Amérique
au moins Ce axe de recherche sur un volet jusqu'en péninsule Antarctique. premier repose
très et a le d'outils analytique important requis développement analytiques spécifiques (1.5.).
L'obtention de données très de différents de ECM, proches provenant forages (ex : isotopes
la de Dôme C et Dôme a motivé le de méthodes de datation Vostok, glace Fuji) développement
D'une les corrélations ont de tester la validité des 2). originales (point part, stratigraphiques permis
échelles de relatives de Vostok et Dôme C sur les derniers 45 000 ans D'autre temps (2.1.1.). part,
l'utilisation de modèles d'écoulement a d'extraire des informations telles permis glaciologiques que
la fusion basale ou la fonction sur la base de la similitude des et d'amincissement, signaux (2.1.2.),
de calculer les vitesses en surface autour du de Dôme C De le même, forage (2.1.3.).
et l'utilisation d'un modèle de densification du névé et sa confrontation aux développement (2.2.1.)
différentes mesures de ont de contraindre les datations de Vostok et La gaz permis Byrd (2.2.2.).
de la et de la du thermomètre au Groenland a été validité calibration question isotopique (2.2.)
abordée à la fois l'utilisation d'un modèle de circulation et la confrontation (2.3.1.) par générale par
des du modèle de densification du névé aux mesures des stables de l'azote et de prédiction isotopes
de l'air réalisées au LSCE (2.3.2.). l'argon
La modélisation des interactions entre la et le climat s'est traduite cryosphère (point 3)
d'une en utilisant le modèle LMDz tester l'influence des lacs sibériens sur le part pour (3.1.)
D'autre le même modèle a été utilisé étudier l'influence devenir des calottes sibériennes. part, pour
des d'albédo de la induits les retombées de sur la formation d'une l9ss, changements neige, par
calotte de Le entre le modèle de calotte du LGGE avec le modèle de climat glace (3.2.). couplage
CLIMBER a d'étudier les de entre et (3.3.) dynamique glaciaire permis questions couplage
circulation thermohaline.
L'accès à la basale de Vostok formée accrétion de du de glace par glace provenant regel
l'eau du lac Vostok a ouvert nouveau domaine de recherche en la un glaciologie : Glaciobiologie
78 Paléoclimat Chapitre 4 -
Les efforts ont sur la recherche de et sur la (point 4). porté signatures (4.1.) biologiques
caractérisation de cette En de la physico-chimique glace. particulier, l'interprétation composition
de cette a de localiser son tandis des mesures isotopique glace permis origine (4.2.), que par
différentes ont été mises en 9uvre la et les modes de techniques pour préciser composition
formation des inclusions dans cette Ces efforts ont été présentes (4.3.). glace analytiques complétés
un travail de modélisation du fonctionnement du lac par thermodynamique (4.4.).
79 4 - Paléoclimat Chapitre
1. Variation du climat et des atmosphères passées
1.1. Les grands cycles climatiques
J. F. J.-R. C. Barnola, Parrenin, Petit, (J.-M. Chappellaz, Ritz)
21 Le décembre le EPICA à Dôme C a atteint la de 3270 m. 2004, forage (EDC) profondeur
Une dans l'étude de la du climat à terme. Les grande première dynamique long premiers
résultats l'année dernière sur la durée des chaudes et le des publiés portent périodes rythme
Bien d'autres sont à mais l'établissement glaciations (EPICA Project Members, 2004). venir,
à haute résolution de l'ensemble des d'intérêt d'enregistrements temporelle proxies requiert
une très de mesures. Une de celles-ci a été réalisée durant ce quantité importante part
mais n'a encore été valorisée dans des Cette moisson quadriennal pas publications.
constituera donc une du d'activité. scientifique pierre angulaire prochain rapport
Notre contribution au travail collectif a
notamment été de dater cet enregistrement
en nous différentes méthodes, par appuyant
sur le en deutérium de la (utilisé profil glace
comme indicateur du climat et antarctique)
celui des En l'absence poussières (Fig. 1).
la d'anomalies de l'écoulement de glace,
attendu au fond du est de l'âge forage
l'ordre de 900 000 ans du (estimation
modèle de F. Les 3140 m de Parrenin).
dans Nature glace présentés représentent
ans la 740.000 de l'histoire de climatique
Nous avons réalisé les planète. également
mesures des à effet de serre premières gaz
et sur la transition V (C02 CH4) climatique
révélant son caractère (-440.000 ans),
notamment un retard du méthane singulier,
non observé sur les transitions récentes. plus
1. et des Figure Enregistrements isotopique poussières
sur 740.000 ans à du à EDC partir forage comparés
l'insolation et aux de volume de proxies glace.
1.1.1. MIS 11 L'interglaciaire
J.-M. J.-R. P. C. Barnola, Petit, Duval, (D. Raynaud, Ritz)
MIS un vieux de ans : un lholocène ? a) 11, 400,000 interglaciaire analogue de
Le stade marin 11 est avoir duré 000 avoir (MIS 11) (30-40 ans), isotopique réputé longtemps
connu un du carbone et les données de certaines terrasses marines cycle océanique particulier
le niveau marin a de 20 mètres le niveau actuel. De il une suggèrent que pu dépasser plus, présente
orbitale semblable à celles de et des dizaines de milliers d'années à configuration l'époque présente
venir.
Nous avons reconstitué l'évolution du durant MIS 11 en reconsidérant la C02 atmosphérique
de Vostok. L'observation de la relation et excès en deutérium / stratigraphie poussières-isotope
deutérium un retournement des couches de à la transition 12-11 et au correspondant suggère glace
début du stade 11. Ceci à un bien connu en à savoir le correspondrait phénomène géologie,
l'élimination de étirement ou de couches successives et certaines plissement par boudinage
on et En inversant l'ordre en de ces couches, (Raynaud al., 2005). stratigraphique profondeur
obtient un à celui de la carotte EDC et un excellent accord enregistrement climatique comparable
80 Paléoclimat Chapitre 4 -
des en et en entre Vostok et EDC la transition 12-11 CH4 COz (EPICA, enregistrements pour
members, 2004). Project
Nous ainsi la reconstruction l ' l ' l '..1 , L -1 l ' j 300 proposons première
des variations du sur la CO2 atmosphérique
totalité de la durée de MIS 11 et (Raynaud al.,
Ces concentrations en ne sont COz 2005). pas
élevées un et particulièrement pour interglaciaire
sont en au niveau équivalentes, moyenne, pré-
industriel sur l'ensemble de la durée du (280 ppmv)
stade Il Le fait le carbonate (Fig. 2). que système
ait été à cette n'est océanique particulier époque pas
reflété dans du C02 l'enregistrement atmosphérique.
Comme le stade 5 autre pour (un plus interglaciaire
il a environ 120.000 le niveau récent, y ans),
du C02 interglaciaire perdure pendant quelques
milliers d'années alors le climat a que Antarctique
amorcé sa transition vers un déjà régime glaciaire.
MIS 11 n'a un de Enfin, pas pic précoce C02,
comme c'est le cas les suivants. pour interglaciaires
2. Reconstitution de l 'évolution du COR Figure
11 et durant MIS la transition atmosphérigue
12-11 à Vostok et EDC. partir de
Nous avons à du modèle 3D de la d'avoir au cours de MIS 11 un évalué, partir calotte, possibilité
niveau marin élevé de 20 mètres. Pour il aux calottes non plus cela, faut, par rapport actuelles,
seulement faire fondre le Groenland et de l'Ouest dans leur totalité mais aussi une l'Antarctique
couche de de l'Est de 8 mètres de niveau marin. Pour l'Antarctique représentant l'équivalent
vérifier le modèle 3D de a été forcé le de cela, dynamique l'Antarctique par signal climatique
la conclusion essentielle est faudrait inverser la relation ou Vostok ; qu'il température-accumulation
avoir en de l'Est des fleuves de conduisant à des de Antarctique glace phénomènes foirage (surge
en à deux fort réalistes et la échelle, al., Ainsi, anglais) grande hypothèses peu (Raynaud 2003).
modélisation de la calotte ne une élévation du niveau marin de Antarctique supporte pas
l'ordre de 20m au niveau actuel. par rapport
Durée de MIS Il b) l'interglaciaire
Avec Marie-France Loutre nous avons montré combinaison (Louvain-la-Neuve), qu'une temporelle
du orbital et de celui dû au conduit à un et C02 appropriée forçage interglaciaire long (Raynaud
basse résolution de la carotte EDC 11 a été MIS une al., 2003). L'enregistrement indique que
chaude d'une durée d'environ 28.000 à aux ans, période exceptionnellement longue, comparer
12.000 ans écoulés de notre chaude actuelle. Cela le climat actuel dans déjà période suggère que
son naturel n'est de rentrer en régime pas près régime glaciaire (EPICA Members, Project
2004).
1.1.2. variations naturelles des minérales et Cycles biogéochimiques : espèces ioniques,
à des carottes d'EPICA organiques, partir
de (M. Angelis)
Les ont sur les deux carottes EPICA et Maud (EDC Land, analyses chimiques porté Dronning
site d'accumulation de l'océan et vraisemblablement EDML, élevée, plus plus proche d'avantage
influencé des en de la selon deux axes façade par apports provenance Atlantique), majeurs :
81 Paléoclimat Chapitre 4 -
Mesures en continu des ions minéraux (haute a) résolution)
laboratoires sont en de en continu sur les DK, S, I, Cinq européens (UK, F) charge l'analyse
carottes d'EPICA des anions et cations minéraux (F-, Cl-, N03-, HS03-, S04--, Na+, NH4+, K+,
considérés comme traceurs de différents de matières Ca++), (sols Mg++, potentiels apports
émissions marine de la biomasse érodés, volcaniques, production primaire, production
continentale ou avec la en et avec une résolution marine, échanges stratosphère) Antarctique ce,
en de l'ordre de c'est à dire de l'ordre de 1 à 2 ans. Leur étude centimètres, profondeur quelques
détaillée doit de mieux la et relation entre leurs le à différentes climat, permettre comprendre cycles
échelles de Un tel l'ensemble des laboratoires la mesure de temps. programme impliquait pour cinq
dizaines de milliers et donc de et de des d'échantillons, plusieurs développer comparer
de la de décontamination et de en carotte, semi-routine, techniques d'échantillonnage d'analyse
laboratoire et sur le terrain soient toutefois aux faibles teneurs rencontrées en qui adaptées
et Le retard initialement le LGGE a été comblé al., Antarctique (Littot 2002). important pris par
à l'achat d'un en 2003 P. novembre 6000 2003, grâce passeur automatique (ACI Wagnon). Depuis
échantillons ont été essentiellement sur la carotte EDC et il reste encore de l'ordre de analysés,
1500 échantillons à sur la carotte EDML. analyser
L'ensemble des données haute résolution sur la carotte EDC est en cours de validation et
Une discussion de l'influence de comme continental d'interprétation. première l'apport paramètre
limitant les interactions entre l'aérosol marin et l'acide potentielles primaire nitrique atmosphérique
a été et à des résultats d'une publiée (Rôthlisberger al., 2003) partir séquence provenant
d'échantillons couvrant le dernier maximum la et l'Holocène à Dôme C. Les transition, glaciaire,
conduisant à la de l'aérosol marin au dessus de processus décomposition primaire l'Antarctique
sont en effet encore mal Il en est de même la re-émission le névé de compris. pour préférentielle par
actifs la chimie comme HC1 ou L'aérosol continental gaz importants HN03. pour troposphérique
dont les concentrations fortement en ferait fonction de carbonaté, augmentent période glaciaire,
certains acides avec l'aérosol comme l'acide marin, piège pour gaz susceptibles d'interagir nitrique.
Ces seraient vraisemblablement fixés sur les carbonatées réaction gaz poussières par hétérogène
intervenant dans ou le névé. l'atmosphère
Mesures en discontinu des acides b) carboxyliques
Le LGGE est meneur dans ce sur la mesure en discontinu des acides programme qui porte
et Le naturel de ces acides et carboxyliques légers (acétique, formique oxalique). cycle ubiquitaires
un rôle dans l'acidité reste mal connu car il est dans la jouant important atmosphérique période
actuelle très l'activité Dominé l'influence de la biomasse continentale perturbé par anthropique. par
en leur en devrait être d'autres contributions boréales, régions cycle Antarctique plutôt empreint par
notamment ou avec le du naturelles, océanique (biomasse marine) plus globale (lien cycle
Les teneurs extrêmement basses attendues dans les carottes EPICA d'au méthane). (inférieures
moins un ordre de à celles du soit le ou nous ont contraint à grandeur Groenland, ng.g"1 moins)
mettre en 9uvre une décontamination et délicate successifs longue par redécoupage puis rinçages
Nous avons 600 échantillons de EDC et EDML et les (cf § 3A-5-5). pu analyser premiers profils
d'acides vont être Un examen montre carboxyliques pour l'Antarctique disponibles. préliminaire
des tendances l'acétate en et le formate froides) opposées pour (augmentation périodes
les se fera l'ensemble des (augmentation pendant interglaciaires). L'interprétation lorsque
résultats sera de à les offertes les de disponible, façon exploiter potentialités par périodes temps
couvertes et les différentes des deux sites. caractéristiques géographiques
1.1.3. des bruits de fond naturels : métaux lourds Compréhension
C. P. Boutron, Ferrari, (C. Gabrielli)
du de Groenland : Estimation matière extraterrestre a) flux
De nombreux nouveaux éléments ont été mesurés le de la carotte de GRIP. chimiques long
Parmi les résultats les intéressants ceux obtenus l'iridium et le plus figurent pour (Ir) platine (Pt),
82 Paléoclimat Chapitre 4 -
sont de très bons traceurs de la matière qui
extraterrestre (Fig. 3).
Les résultats obtenus montrent que, pendant :
l'iridium et le l'Holocène, platine provenaient
essentiellement des retombées des suies
dans la haute météoritiques produites atmosphère
avec des de concentrations (mésosphère), rapports
des Une proches rapports météoritiques.
à l'ensemble de la Terre donne un flux extrapolation
de retombée de matière extraterrestre de l'ordre
de 15000 tonnes/an. C'est l'une des estimations les
obtenues et (Gabrielli al., plus précises jamais
2005).
Variations d'enrichissement Figure 3. des facteurs
et des de retombées de l 'iridium et du flux platine
au cours des derniers 100. 000 ans à Summit
(Groenland).
variations naturelles des métaux lourds au cours des derniers b) Antarctique : cycles
climatiques
Nous avons obtenu les de variations de nombreux métaux lourds et éléments traces premiers profils
au cours des successifs à de nombreuses sections de la carotte de cycles climatiques grâce l'analyse
Vostok 420 000 et des 2200 m de la carotte EDC 220 000 (derniers ans) premiers (derniers ans).
Toutes ces mesures montrent des concentrations au cours des les beaucoup plus grandes périodes
dues aux modifications des naturels de ces éléments au cours des froides, plus importantes cycles
successifs et (Gabrielli al., 2005). cycles climatiques
Un cas le mercure c) particulier :
Le mercure est un métal à fort intérêt environnemental de sa toxicité et sa à être par capacité
sur de distances. Grâce au de nouveaux outils nous transporté longues développement analytiques,
avons étudié l'évolution du mercure et sa dans la carotte EDC. Nous observons une spéciation
évolution similaire des concentrations en mercure total et en dans la La fraction poussières glace.
crustale du mercure calculée différentes méthodes reste faible tout au de la carotte par long
montrant cette corrélation n'est de source. que pas qu'une question
1.2. Dernière et Holocène en glaciation Antarctique
Les de la et de l'Holocène ont été documentées au travers des différents périodes déglaciation
indicateurs contenus dans les carottes de de des résultats et leur glace l'Antarctique L'acquisition
sont avancées en ce concerne les insolubles interprétation plus qui particules (poussières) d'origine
continentale et les à effet de serre. gaz
83

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