Cirrus -Cirrus cloud
Cirrus ( symbole de classification des nuages : Ci ) est un genre de nuages élevés constitués de cristaux de glace . Les cirrus apparaissent généralement délicats et vaporeux avec des brins blancs. Les cirrus se forment généralement lorsque l'air chaud et sec monte, provoquant un dépôt de vapeur d'eau sur des particules de poussière rocheuses ou métalliques à haute altitude. À l' échelle mondiale, ils se forment entre 4 000 et 20 000 mètres (13 000 et 66 000 pieds) au-dessus du niveau de la mer , les altitudes les plus élevées étant généralement sous les tropiques et les altitudes les plus basses dans les régions plus polaires .
Les cirrus peuvent se former au sommet des orages et des cyclones tropicaux et prédisent parfois l'arrivée de la pluie ou des tempêtes. Bien qu'ils soient un signe que la pluie et peut-être des tempêtes sont en route, les cirrus eux-mêmes ne laissent tomber que des traînées de cristaux de glace. Ces cristaux se dissipent, fondent et s'évaporent lorsqu'ils tombent dans un air plus chaud et plus sec et n'atteignent jamais le sol. Les cirrus réchauffent la terre, contribuant potentiellement au changement climatique . Une terre qui se réchauffe produira probablement plus de cirrus, ce qui pourrait entraîner une boucle auto-renforcée .
Des phénomènes optiques , tels que les chiens solaires et les halos , peuvent être produits par l'interaction de la lumière avec des cristaux de glace dans les cirrus. Il existe deux autres nuages de haut niveau ressemblant à des cirrus appelés cirrostratus et cirrocumulus . Cirrostratus ressemble à une nappe de nuages, tandis que les cirrocumulus ressemblent à un motif de petites touffes de nuages. Contrairement aux cirrus et aux cirrostratus, les cirrocumulus contiennent des gouttelettes d' eau surfondue (sous le point de congélation ).
Les cirrus se forment dans les atmosphères de Mars , Jupiter , Saturne , Uranus et Neptune ; et sur Titan , l'une des plus grosses lunes de Saturne. Certains de ces cirrus extraterrestres sont constitués d' ammoniac ou de glace de méthane , un peu comme la glace d'eau dans les cirrus sur Terre. Certains nuages interstellaires , constitués de grains de poussière plus petits qu'un millième de millimètre, sont aussi appelés cirrus .
La description
Les cirrus sont des nuages vaporeux constitués de longs brins de cristaux de glace qui sont décrits comme plumeux, ressemblant à des cheveux ou en couches. Définis scientifiquement pour la première fois par Luke Howard dans un article de 1803, leur nom est dérivé du mot latin cirrus , qui signifie « boucle » ou « frange ». Ils sont transparents , ce qui signifie que le Soleil peut être vu à travers eux. Les cristaux de glace dans les nuages les font généralement apparaître blancs, mais le soleil levant ou couchant peut les colorer de différentes nuances de jaune ou de rouge. Au crépuscule , ils peuvent apparaître gris.
Cirrus se décline en cinq espèces visuellement distinctes : castellanus , fibratus , floccus , spissatus et uncinus :
- Cirrus castellanus a des sommets cumuliformes causés par la convection à haute altitude s'élevant du corps nuageux principal;
- Cirrus fibratus semble strié et est l'espèce de cirrus la plus commune;
- L'espèce Cirrus floccus ressemble à une série de touffes ;
- Cirrus spissatus est une forme particulièrement dense de cirrus qui se forme souvent à partir d'orages.
- Les nuages de cirrus uncinus sont crochus et ont la forme généralement appelée queue de jument.
Chaque espèce est divisée en quatre variétés au maximum : intortus , vertebratus , radiatus et duplicatus :
- La variété Intortus a une forme extrêmement tordue, les ondes de Kelvin – Helmholtz étant une forme de cirrus intortus qui a été tordue en boucles par des couches de vent soufflant à différentes vitesses, appelée cisaillement du vent ;
- La variété Radiatus a de grandes bandes radiales de cirrus qui s'étendent dans le ciel;
- La variété Vertebratus se produit lorsque les cirrus sont disposés côte à côte comme des côtes;
- La variété Duplicatus se produit lorsque les cirrus sont disposés les uns au-dessus des autres en couches.
Les cirrus produisent souvent des filaments ressemblant à des cheveux appelés stries d'automne , constitués de cristaux de glace plus lourds qui tombent du nuage. Celles-ci sont similaires à la virga produite dans les nuages liquide-eau. La taille et la forme des traînées d'automne sont déterminées par le cisaillement du vent.
La couverture nuageuse des cirrus varie diurne . Pendant la journée, la couverture nuageuse des cirrus diminue et pendant la nuit, elle augmente. D'après les données du satellite CALIPSO , les cirrus couvrent en moyenne 31 à 32 % de la surface de la Terre. La couverture nuageuse de cirrus varie énormément selon l'emplacement, certaines parties des tropiques atteignant jusqu'à 70% de couverture nuageuse de cirrus. Les régions polaires, en revanche, ont beaucoup moins de couverture nuageuse de cirrus, certaines zones ayant une moyenne annuelle de couverture d'environ 10% seulement. Ces pourcentages traitent les jours et les nuits clairs, ainsi que les jours et les nuits avec d'autres types de nuages, comme un manque de cirrus.
Formation
Les cirrus se forment généralement lorsque l'air chaud et sec s'élève, provoquant le dépôt de vapeur d'eau sur des particules de poussière rocheuses ou métalliques à haute altitude. L'altitude moyenne des cirrus augmente à mesure que la latitude diminue, mais l'altitude est toujours plafonnée par la tropopause . Ces conditions se produisent généralement à la pointe d'un front chaud . Parce que l'humidité absolue est faible à des altitudes aussi élevées, ce genre a tendance à être assez transparent.
Aux latitudes de 65° N ou S , proches des régions polaires , les cirrus se forment, en moyenne, à seulement 7 000 m (23 000 pieds) au-dessus du niveau de la mer. Dans les régions tempérées, à environ 45° N ou S , leur altitude moyenne augmente jusqu'à 9 500 m (31 200 pieds) au-dessus du niveau de la mer. Dans les régions tropicales , à environ 5° N ou S , les cirrus se forment en moyenne à 13 500 m (44 300 pieds) au-dessus du niveau de la mer. Partout dans le monde, les cirrus peuvent se former entre 4 000 et 20 000 m (13 000 à 66 000 pieds) au-dessus du niveau de la mer. Les cirrus se forment avec une vaste gamme d'épaisseurs. Ils peuvent mesurer aussi peu que 100 m (330 pieds) de haut en bas jusqu'à 8 000 m (26 000 pieds). L'épaisseur des cirrus se situe généralement quelque part entre ces deux extrêmes, avec une épaisseur moyenne de 1 500 m (4 900 pieds).
Le courant-jet , une bande de vent de haut niveau, peut étirer les cirrus suffisamment longtemps pour traverser les continents. Les traînées de jet , des bandes d'air se déplaçant plus rapidement dans le courant-jet, peuvent créer des arcs de cirrus de plusieurs centaines de kilomètres de long.
La formation de nuages cirrus peut être effectuée par des aérosols organiques (particules produites par les plantes) agissant comme points de nucléation supplémentaires pour la formation de cristaux de glace. Cependant, la recherche suggère que les cirrus se forment plus souvent sur des particules rocheuses ou métalliques plutôt que sur des particules organiques.
Cyclones tropicaux
Des nappes de cirrus s'éventent généralement des parois oculaires des cyclones tropicaux. (Le mur de l'œil est l'anneau de nuages d'orage entourant l'œil d'un cyclone tropical.) Un grand bouclier de cirrus et de cirrostratus accompagne généralement les vents sortants à haute altitude des cyclones tropicaux, et ceux-ci peuvent créer les bandes de pluie sous-jacentes - et parfois même l'œil - difficile à détecter sur les photographies satellites.
Des orages
Les orages peuvent former des cirrus denses à leur sommet. Au fur et à mesure que le nuage cumulonimbus dans un orage se développe verticalement, les gouttelettes d'eau liquide gèlent lorsque la température de l'air atteint le point de congélation . Le nuage d'enclume prend sa forme parce que l' inversion de température à la tropopause empêche l'air chaud et humide formant l'orage de monter plus haut, créant ainsi le sommet plat. Sous les tropiques, ces orages produisent parfois de grandes quantités de cirrus à partir de leurs enclumes. Les vents de haute altitude poussent généralement ce tapis dense en une forme d'enclume qui s'étend sous le vent sur plusieurs kilomètres.
Les formations de cirrus individuels peuvent être les restes de nuages enclumes formés par les orages. Dans la phase de dissipation d'un cumulonimbus, lorsque la colonne normale s'élevant jusqu'à l'enclume s'est évaporée ou s'est dissipée, le tapis de cirrus dans l'enclume est tout ce qui reste.
Traînées
Les traînées de condensation sont un type artificiel de cirrus formé lorsque la vapeur d'eau de l'échappement d'un moteur à réaction se condense sur des particules provenant soit de l'air ambiant, soit de l'échappement lui-même, et gèle, laissant derrière elle une traînée visible. L'échappement peut déclencher la formation de cirrus en fournissant des noyaux de glace lorsque l'apport naturel dans l'atmosphère est insuffisant. L'un des impacts environnementaux de l'aviation est que les traînées de condensation persistantes peuvent former de grands tapis de cirrus, et l'augmentation du trafic aérien a été impliquée comme l'une des causes possibles de l'augmentation de la fréquence et de la quantité de cirrus dans l'atmosphère terrestre.
Utilisation dans les prévisions
Les cirrus isolés et aléatoires n'ont pas de signification particulière. Un grand nombre de cirrus peut être le signe d'un système frontal qui approche ou d'une perturbation de l'air en altitude. L'apparition de cirrus signale un changement de temps, généralement plus orageux, dans un proche avenir. Si le nuage est un cirrus castellanus , il pourrait y avoir une instabilité au niveau de haute altitude. Lorsque les nuages s'approfondissent et s'étendent, en particulier lorsqu'ils appartiennent à la variété cirrus radiatus ou à l'espèce cirrus fibratus , cela indique généralement l'approche d'un front météorologique. S'il s'agit d'un front chaud, les cirrus s'étalent en cirrostratus, qui s'épaississent ensuite et s'abaissent en altocumulus et altostratus . La prochaine série de nuages sont les nuages nimbostratus porteurs de pluie . Lorsque les cirrus précèdent un front froid , une ligne de grains ou un orage multicellulaire , c'est qu'ils sont soufflés de l'enclume, et les prochains à arriver sont les cumulonimbus. Les ondes de Kelvin-Helmholtz indiquent un cisaillement extrême du vent à des niveaux élevés. Lorsqu'une traînée de jets crée un grand arc de cirrus, les conditions météorologiques peuvent être propices au développement de tempêtes hivernales .
Sous les tropiques, 36 heures avant le passage central d'un cyclone tropical, un voile de cirrus blancs s'approche de la direction du cyclone. Du milieu à la fin du XIXe siècle, les prévisionnistes utilisaient ces voiles de cirrus pour prédire l'arrivée des ouragans. Au début des années 1870, le président du Belén College de La Havane , le père Benito Viñes , a mis au point le premier système de prévision des ouragans ; il a principalement utilisé le mouvement de ces nuages pour formuler ses prédictions. Il observait les nuages toutes les heures de 4h00 à 22h00. Après avoir accumulé suffisamment d'informations, Viñes a commencé à prédire avec précision les trajectoires des ouragans; il a résumé ses observations dans son livre Apuntes Relativos a los Huracanes de las Antilles , publié en anglais sous le titre Practical Hints in Regard to West Indian Hurricanes .
Effets sur le climat
Les cirrus couvrent jusqu'à 25 % de la Terre (jusqu'à 70 % sous les tropiques la nuit) et ont un effet de réchauffement net. Lorsqu'ils sont fins et translucides, les nuages absorbent efficacement le rayonnement infrarouge sortant tout en ne reflétant que marginalement la lumière solaire entrante. Lorsque les cirrus ont une épaisseur de 100 m (330 pieds), ils ne reflètent qu'environ 9% de la lumière solaire entrante, mais ils empêchent près de 50% du rayonnement infrarouge sortant de s'échapper, augmentant ainsi en moyenne la température de l'atmosphère sous les nuages. de 10 °C (18 °F) — un processus connu sous le nom d' effet de serre . En moyenne mondiale, la formation de nuages entraîne une perte de température de 5 ° C (9 ° F) à la surface de la Terre, principalement le résultat de stratocumulus .
Les cirrus sont probablement de plus en plus courants en raison du changement climatique . Comme leur effet de serre est plus fort que leur réflexion de la lumière du soleil, cela agirait comme une rétroaction auto-renforcée . Les particules métalliques provenant de sources humaines agissent comme des graines de nucléation supplémentaires, augmentant potentiellement la couverture nuageuse des cirrus et contribuant ainsi davantage au changement climatique. Les aéronefs dans la haute troposphère peuvent créer des cirrus de traînée si les conditions météorologiques locales sont bonnes. Ces traînées contribuent au changement climatique.
L'amincissement des cirrus a été proposé comme une approche de géo -ingénierie possible pour réduire les dommages climatiques dus au dioxyde de carbone . L'amincissement des cirrus consisterait à injecter des particules dans la haute troposphère pour réduire la quantité de cirrus. Le rapport d' évaluation 2021 du GIEC a exprimé une faible confiance dans l'effet de refroidissement de l'amincissement des cirrus, en raison d'une compréhension limitée.
Propriétés du nuage
Les scientifiques ont étudié les propriétés des cirrus en utilisant plusieurs méthodes différentes. Le lidar ( radar à base de laser ) donne des informations très précises sur l'altitude, la longueur et la largeur du nuage. Les hygromètres portés par ballon mesurent l'humidité du nuage cirrus mais ne sont pas assez précis pour mesurer la profondeur du nuage. Les unités radar donnent des informations sur les altitudes et les épaisseurs des cirrus. Une autre source de données est constituée par les mesures satellitaires du programme Stratospheric Aerosol and Gas Experiment . Ces satellites mesurent où le rayonnement infrarouge est absorbé dans l'atmosphère, et s'il est absorbé à des altitudes de cirrus, on suppose qu'il y a des cirrus à cet endroit. Le spectroradiomètre imageur à résolution moyenne de la NASA fournit des informations sur la couverture nuageuse des cirrus en mesurant le rayonnement infrarouge réfléchi de diverses fréquences spécifiques au cours de la journée. Pendant la nuit, il détermine la couverture des cirrus en détectant les émissions infrarouges de la Terre. Le nuage réfléchit ce rayonnement vers le sol, permettant ainsi aux satellites de voir "l'ombre" qu'il projette dans l'espace. Les observations visuelles depuis un avion ou depuis le sol fournissent des informations supplémentaires sur les cirrus. L'analyse de particules par spectrométrie de masse laser (PALMS) est utilisée pour identifier le type de graines de nucléation qui a engendré les cristaux de glace dans un cirrus.
Les cirrus ont une concentration moyenne de cristaux de glace de 300 000 cristaux de glace par 10 mètres cubes (270 000 cristaux de glace par 10 verges cubes ). La concentration varie d'aussi peu que 1 cristal de glace par 10 mètres cubes à 100 millions de cristaux de glace par 10 mètres cubes (un peu moins de 1 cristal de glace par 10 mètres cubes à 77 millions de cristaux de glace par 10 mètres cubes), une différence de huit ordres de grandeur . La taille de chaque cristal de glace est généralement de 0,25 millimètre, mais elles vont de 0,01 millimètre à plusieurs millimètres. Les cristaux de glace dans les traînées de condensation peuvent être beaucoup plus petits que ceux des cirrus naturels, mesurant environ 0,001 millimètre à 0,1 millimètre de longueur.
En plus de se former en différentes tailles, les cristaux de glace des cirrus peuvent cristalliser sous différentes formes : colonnes pleines, colonnes creuses, plaques, rosettes et conglomérats des divers autres types. La forme des cristaux de glace est déterminée par la température de l'air, la pression atmosphérique et la sursaturation de la glace (la quantité par laquelle l' humidité relative dépasse 100 %). Les cirrus dans les régions tempérées ont généralement les différentes formes de cristaux de glace séparées par type. Les colonnes et les plaques se concentrent près du sommet du nuage, tandis que les rosettes et les conglomérats se concentrent près de la base. Dans la région nord de l' Arctique , les cirrus ont tendance à être composés uniquement de colonnes, de plaques et de conglomérats, et ces cristaux ont tendance à être au moins quatre fois plus gros que la taille minimale. En Antarctique , les cirrus sont généralement composés uniquement de colonnes beaucoup plus longues que la normale.
Les cirrus sont généralement plus froids que -20 ° C (-4 ° F). À des températures supérieures à -68 ° C (-90 ° F), la plupart des cirrus ont une humidité relative d'environ 100% (c'est-à-dire qu'ils sont saturés). Les cirrus peuvent sursaturer, avec des humidités relatives sur la glace pouvant dépasser 200 %. En dessous de -68 ° C (-90 ° F), il y a plus de cirrus sous-saturés et sursaturés. Les nuages les plus sursaturés sont probablement de jeunes cirrus.
Phénomènes optiques
Les cirrus peuvent produire plusieurs effets optiques comme des halos autour du Soleil et de la Lune. Les halos sont causés par l'interaction de la lumière avec les cristaux de glace hexagonaux présents dans les nuages qui, selon leur forme et leur orientation, peuvent entraîner une grande variété d'anneaux, d'arcs et de taches blancs et colorés dans le ciel, y compris les chiens solaires , le 46 ° halo , le halo de 22° et les arcs circumhorizontaux . Les arcs circumhorizontaux ne sont visibles que lorsque le Soleil se lève à plus de 58° au-dessus de l'horizon, empêchant les observateurs à des latitudes plus élevées de pouvoir les voir.
Plus rarement, les cirrus sont capables de produire des gloires , plus communément associées aux nuages liquides à base d'eau tels que les stratus . Une gloire est un ensemble d'anneaux incandescents concentriques et légèrement colorés qui apparaissent autour de l'ombre de l'observateur et sont mieux observés d'un point de vue élevé ou d'un avion. Les cirrus ne forment des gloires que lorsque les cristaux de glace les constituant sont asphériques ; les chercheurs suggèrent que les cristaux de glace doivent avoir une longueur comprise entre 0,009 millimètre et 0,015 millimètre pour qu'une gloire apparaisse.
Relation avec d'autres nuages
Les cirrus sont l'un des trois genres différents de nuages de haut niveau, qui reçoivent tous le préfixe "cirro-". Les deux autres genres sont cirrocumulus et cirrostratus. Les nuages de haut niveau se forment généralement au-dessus de 6 100 m (20 000 pieds). Les cirrocumulus et les cirrostratus sont parfois appelés de manière informelle nuages cirriformes en raison de leur fréquente association avec les cirrus.
Dans la plage intermédiaire, de 2 000 à 6 100 m (6 500 à 20 000 pieds), se trouvent les nuages de niveau moyen, auxquels on donne le préfixe « alto- ». Ils comprennent deux genres, altostratus et altocumulus . Ces nuages sont formés de cristaux de glace, de gouttelettes d'eau surfondues ou de gouttelettes d'eau liquide.
Les nuages de bas niveau se forment généralement en dessous de 2 000 m (6 500 pieds) et n'ont pas de préfixe. Les deux genres qui sont strictement de bas niveau sont stratus et stratocumulus . Ces nuages sont composés de gouttelettes d'eau, sauf en hiver où ils sont formés de gouttelettes d'eau surfondues ou de cristaux de glace si la température au niveau des nuages est inférieure à zéro. Trois genres supplémentaires se forment généralement dans la plage de basse altitude, mais peuvent être basés à des niveaux plus élevés dans des conditions de très faible humidité. Ce sont les genres cumulus , et cumulonimbus , et nimbostratus . Ceux-ci sont parfois classés séparément comme nuages à développement vertical, en particulier lorsque leurs sommets sont suffisamment hauts pour être composés de gouttelettes d'eau surfondues ou de cristaux de glace.
Cirrocumulus
Les cirrocumulus se forment en nappes ou en plaques et ne projettent pas d'ombres. Ils apparaissent généralement dans des motifs réguliers et ondulants ou dans des rangées de nuages avec des zones claires entre eux. Les cirrocumulus sont, comme les autres membres de la catégorie cumuliforme, formés via des processus convectifs . Une croissance significative de ces plaques indique une instabilité à haute altitude et peut signaler l'approche d'un temps plus mauvais. Les cristaux de glace au fond des cirrocumulus ont tendance à se présenter sous la forme de cylindres hexagonaux. Ils ne sont pas solides, mais ont plutôt tendance à avoir des entonnoirs étagés venant des extrémités. Vers le haut du nuage, ces cristaux ont tendance à s'agglutiner. Ces nuages ne durent pas longtemps et ont tendance à se transformer en cirrus car, à mesure que la vapeur d'eau continue de se déposer sur les cristaux de glace, ils finissent par tomber, détruisant la convection ascendante. Le nuage se dissipe ensuite en cirrus. Les cirrocumulus sont de quatre espèces : stratiformis , lenticularis , castellanus et floccus . Ils sont irisés lorsque les gouttelettes d'eau surfondues qui les constituent ont toutes à peu près la même taille.
Cirro-stratus
Les cirrostratus peuvent apparaître comme un éclat laiteux dans le ciel ou comme une nappe striée. Ils s'apparentent parfois aux altostratus et se distinguent de ces derniers car le Soleil ou la Lune sont toujours bien visibles à travers des cirrostratus transparents, contrairement aux altostratus qui ont tendance à être opaques ou translucides. Les cirrostratus existent en deux espèces, fibratus et nebulosus . Les cristaux de glace dans ces nuages varient en fonction de la hauteur du nuage. Vers le bas, à des températures d'environ -35 à -45 ° C (-31 à -49 ° F), les cristaux ont tendance à être de longues colonnes hexagonales solides. Vers le haut du nuage, à des températures d'environ -47 à -52 ° C (-53 à -62 ° F), les types de cristaux prédominants sont des plaques hexagonales épaisses et des colonnes hexagonales solides et courtes. Ces nuages produisent généralement des halos, et parfois le halo est la seule indication que de tels nuages sont présents. Ils sont formés par de l'air chaud et humide qui est soulevé lentement à une très haute altitude. À l'approche d'un front chaud, les cirrostratus deviennent plus épais et descendent en formant des altostratus, et la pluie commence généralement 12 à 24 heures plus tard.
D'autres planètes
Des cirrus ont été observés sur plusieurs autres planètes. En 2008, le Martian Lander Phoenix a pris une photographie accélérée d'un groupe de cirrus se déplaçant dans le ciel martien à l' aide du lidar. Vers la fin de sa mission, l'atterrisseur Phoenix a détecté des nuages plus fins près du pôle nord de Mars. Au cours de plusieurs jours, ils se sont épaissis, se sont abaissés et ont finalement commencé à neiger. La précipitation totale n'a été que de quelques millièmes de millimètre. James Whiteway de l'Université York a conclu que "les précipitations sont une composante du cycle hydrologique [martien] ". Ces nuages se sont formés pendant la nuit martienne en deux couches, l'une à environ 4 000 m (13 000 pieds) au-dessus du sol et l'autre au niveau de la surface. Ils ont duré jusqu'au petit matin avant d'être brûlés par le soleil. Les cristaux de ces nuages se sont formés à une température de -65 ° C (-85 ° F) et ont la forme approximative d'ellipsoïdes de 0,127 millimètre de long et de 0,042 millimètre de large.
Sur Jupiter, les cirrus sont composés d' ammoniac . Lorsque la ceinture équatoriale sud de Jupiter a disparu, une hypothèse avancée par Glenn Orten était qu'une grande quantité de cirrus d'ammoniac s'était formée au-dessus d'elle, la cachant à la vue. La sonde Cassini de la NASA a détecté ces nuages sur Saturne et de fins cirrus de glace d'eau sur Titan , la lune de Saturne . Des cirrus composés de glace de méthane existent sur Uranus. Sur Neptune, de minces nuages vaporeux qui pourraient éventuellement être des cirrus ont été détectés au-dessus de la Grande Tache Sombre . Comme sur Uranus, ce sont probablement des cristaux de méthane.
Les cirrus interstellaires sont composés de minuscules grains de poussière plus petits qu'un micromètre et ne sont donc pas de vrais cirrus, composés de cristaux gelés. Ils vont de quelques années-lumière à des dizaines d'années-lumière de diamètre. Bien qu'ils ne soient pas techniquement des cirrus, les nuages de poussière sont appelés "cirrus" en raison de leur similitude avec les nuages sur Terre. Ils émettent un rayonnement infrarouge, similaire à la façon dont les cirrus sur Terre réfléchissent la chaleur émise dans l'espace.
Remarques
Références
Notes de bas de page
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