Herkunft des Wassers auf der Erde

Wasser ist ein grundlegender und unverzichtbarer Bestandteil der Erde und spielt eine entscheidende Rolle für die Erhaltung des Lebens und das Funktionieren verschiedener geologischer und ökologischer Prozesse. Das Vorhandensein von Wasser auf unserem Planeten fasziniert Wissenschaftler und Forscher seit Jahrhunderten und hat zu zahlreichen Studien und Theorien geführt, die darauf abzielen, die Geheimnisse seines Ursprungs zu lüften. Das Verständnis der Wasserquelle auf der Erde ist nicht nur eine wissenschaftliche Aufgabe, sondern hat auch Auswirkungen auf unser Verständnis der umfassenderen Prozesse, die das frühe Sonnensystem geformt haben.

Bedeutung von Wasser auf der Erde:

Wasser ist lebenswichtig für das Leben, wie wir es kennen. Seine einzigartigen Eigenschaften, wie hohe Wärmekapazität, ausgezeichnete Lösungsmittelfähigkeit und die Fähigkeit, in drei Zuständen (fest, flüssig und gasförmig) zu existieren, machen es zu einem Schlüsselakteur in verschiedenen irdischen Prozessen. Es ist ein lebenswichtiger Bestandteil für biologische Organismen und dient als Medium für biochemische Reaktionen und als Lebensraum für unzählige Arten. Darüber hinaus reguliert Wasser die Temperatur, formt Landschaften durch Erosion und Verwitterungund beeinflusst Klimamuster.

Die Abhängigkeit des Menschen von Wasser geht über das bloße Überleben hinaus und erstreckt sich auch auf Landwirtschaft, Industrie und Energieerzeugung. Die Verfügbarkeit von Wasserressourcen hat historisch die Entwicklung und Verbreitung von Zivilisationen beeinflusst. Daher ist die Erforschung der Herkunft des Wassers auf der Erde nicht nur eine wissenschaftliche Untersuchung, sondern hat auch praktische Auswirkungen auf die Bewirtschaftung und Erhaltung des Lebens auf unserem Planeten.

Historisches Interesse am Verständnis des Ursprungs von Wasser:

Die Suche nach dem Ursprung des Wassers auf der Erde hat eine lange Geschichte und verschiedene Kulturen und wissenschaftliche Traditionen haben zu dieser intellektuellen Suche beigetragen. In Mythen und Schöpfungsgeschichten der Antike wurde Wasser oft als Urelement erwähnt und seine Bedeutung für die Entstehung der Welt betont.

In der Neuzeit nahm das wissenschaftliche Interesse an der Herkunft des Wassers zu, als Forscher begannen, die Zusammensetzung von Himmelskörpern und die im frühen Sonnensystem vorherrschenden Bedingungen zu erforschen. Theorien über Mechanismen der Wasserabgabe, etwa Kometeneinschläge und Beiträge von Asteroiden, entstanden, als Wissenschaftler versuchten, das Vorhandensein von Wasser auf der Erde zu erklären.

Fortschritte in der Planetenwissenschaft, Astronomie und Geochemie haben es Forschern ermöglicht, die Isotopenzusammensetzung des Wassers auf der Erde zu untersuchen und sie mit der Isotopenzusammensetzung potenzieller außerirdischer Quellen zu vergleichen. Dieser interdisziplinäre Ansatz hat wertvolle Einblicke in die wahrscheinlichen Quellen und Prozesse geliefert, die zum Wasserreichtum auf unserem Planeten beigetragen haben.

Zusammenfassend ist der Ursprung des Wassers auf der Erde ein Thema von anhaltendem wissenschaftlichem Interesse mit Auswirkungen auf unser Verständnis der Geschichte des Planeten, der Entwicklung des Lebens und der umfassenderen Prozesse, die unser Sonnensystem formen. Das ständige Bestreben, die Geheimnisse des Wassers auf der Erde zu entschlüsseln, treibt die Forschung und Erforschung weiter voran und vereint verschiedene Forschungsbereiche in einer gemeinsamen Anstrengung, um die Geheimnisse des flüssigen Lebenselixiers unseres Planeten zu entschlüsseln.

Die Entstehung des Sonnensystems

Überblick über das frühe Sonnensystem:

Das Sonnensystem entstand vor etwa 4.6 Milliarden Jahren aus einer riesigen, rotierenden Wolke aus Gas und Staub, die als Sonnennebel bekannt ist. Diese Wolke kollabierte unter dem Einfluss der Schwerkraft, was zur Entstehung der Sonne und des sie umgebenden Planetensystems führte. Das frühe Sonnensystem war eine dynamische Umgebung, die durch intensive Hitze, Strahlung und das Vorhandensein verschiedener Partikel und Materialien gekennzeichnet war.

Entstehung der Sonne und der protoplanetaren Scheibe:

Als der Sonnennebel kollabierte, sammelte sich der Großteil seiner Masse im Zentrum und bildete die Sonne. Der Rest des Materials plattte zu einer rotierenden Scheibe, der sogenannten protoplanetaren Scheibe, die die junge Sonne umgab. Diese Scheibe bestand aus Gas- und Staubpartikeln, darunter Elemente wie Wasserstoff, Helium und schwerere Elemente, die von früheren Sterngenerationen erzeugt wurden.

Innerhalb der protoplanetaren Scheibe führten Kollisionen und Gravitationswechselwirkungen zwischen Teilchen zur Bildung größerer Materieklumpen, sogenannter Planetesimale. Die intensive Hitze der jungen Sonne führte dazu, dass die inneren Bereiche der Scheibe überwiegend aus Gesteinsmaterialien und Metallen bestanden, während die äußeren Bereiche flüchtigere Verbindungen in eisiger Form enthielten.

Entwicklung von Planetesimalen und Protoplaneten:

Planetesimale sind kleine, feste Körper mit einer Größe von einigen Metern bis zu Hunderten von Kilometern. Im Laufe der Zeit kollidierten und verschmolzen diese Planetesimale weiter und bildeten noch größere Objekte, die als Protoplaneten bekannt sind. Die Gravitationswechselwirkungen zwischen Protoplaneten erleichterten den Wachstumsprozess zusätzlich und führten zur Bildung von Planetenembryonen.

Während die Protoplaneten weiterhin Material aus der protoplanetaren Scheibe ansammelten, begannen sie auch, ihre Umlaufbahnen von Trümmern zu befreien. Dieser Prozess markierte den Übergang von Protoplaneten zu Planeten. Die Planeten in unserem Sonnensystem können aufgrund ihrer Zusammensetzung und Eigenschaften grob in zwei Gruppen eingeteilt werden:

1. Terrestrische Planeten: Die inneren Planeten, darunter Merkur, Venus, Erde und Mars, zeichnen sich durch ihre Gesteinszusammensetzung und relativ geringe Größe aus.
2. Jupiterplaneten (Gasriesen): Die äußeren Planeten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun sind deutlich größer und bestehen hauptsächlich aus leichteren Elementen wie Wasserstoff und Helium. Diese Planeten verfügen außerdem über ausgedehnte Ringsysteme und zahlreiche Monde.

Die Entstehung des Sonnensystems beinhaltete komplizierte Prozesse der Schwerkraftanziehung, Kollisionen und der Umverteilung von Materialien innerhalb der protoplanetaren Scheibe. Die Überreste dieser dynamischen Ära sind noch immer in den vielfältigen Eigenschaften der Planeten und anderer Himmelskörper zu beobachten, aus denen unser heutiges Sonnensystem besteht. Die Untersuchung dieser frühen Prozesse liefert entscheidende Einblicke in die Entstehung und Entwicklung von Planetensystemen im Universum.

Hypothese eines späten schweren Bombardements

Das Late Heavy Bombardment (LHB) ist ein theoretisches Ereignis, das vermutlich vor etwa 3.8 bis 4.1 Milliarden Jahren in den frühen Stadien der Geschichte des Sonnensystems stattgefunden hat. Dieser Zeitraum war durch einen plötzlichen Anstieg der Häufigkeit von Einschlägen, insbesondere von Kometen und Asteroiden, auf die inneren Planeten wie Erde, Mond, Mars und Merkur gekennzeichnet. Die Hypothese des späten schweren Bombardements legt nahe, dass diese Himmelskörper einen erheblichen Zustrom von Impaktoren erlebten, was zu weit verbreiteter Kraterbildung und Formung der Oberflächen dieser Planeten und Monde führte.

Erklärung des späten schweren Bombardements:

Die genaue Ursache des späten schweren Bombardements ist immer noch Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen und Debatten. Eine führende Hypothese ist, dass Gravitationswechselwirkungen zwischen den Riesenplaneten, insbesondere Jupiter und Saturn, eine Neuordnung ihrer Umlaufbahnen verursachten. Diese Gravitationsstörung führte zur Streuung von Kometen und Asteroiden aus den äußeren Regionen des Sonnensystems und schickte sie auf Flugbahnen, die sich mit den inneren Planeten kreuzten.

Infolgedessen kollidierte eine Flut dieser Objekte mit den Oberflächen der inneren Planeten, was zu starker Kraterbildung und einer Veränderung der Topographie dieser Körper führte. Das späte schwere Bombardement gilt als eine entscheidende Phase in der Geschichte des Sonnensystems, die die Entwicklung der Planetenoberflächen beeinflusst und möglicherweise die Entwicklung des frühen Lebens auf der Erde beeinflusst.

Rolle von Kometen und Asteroiden:

Kometen und Asteroiden spielten beim späten schweren Bombardement eine zentrale Rolle. Kometen sind eisige Körper, die aus Wasser, gefrorenen Gasen, Staub und anderen flüchtigen Verbindungen bestehen, während Asteroiden felsige oder metallische Körper sind. Der Einschlag von Kometen und Asteroiden während des späten schweren Bombardements hatte mehrere bedeutende Auswirkungen:

1. Kraterbildung und Oberflächenmodifikationen: Die Einschläge dieser Himmelskörper verursachten großflächige Kraterbildung auf Planetenoberflächen. Der Mond beispielsweise bewahrt die Aufzeichnungen dieses intensiven Bombardements in Form von Einschlagskratern.
2. Lieferung flüchtiger Stoffe: Kometen sind reich an flüchtigen Verbindungen, darunter auch Wassereis. Die Einschläge von Kometen könnten dazu beigetragen haben, dass Wasser und andere flüchtige Substanzen zu den inneren Planeten, einschließlich der Erde, gelangten.

Wasserabgabe an die Erde bei Einschlägen:

Es wird angenommen, dass der Einschlag von Kometen während des späten schweren Bombardements eine entscheidende Rolle bei der Wasserversorgung der Erde gespielt hat. Die frühe Erde war wahrscheinlich eine heiße und trockene Umgebung, und die Lieferung wasserreicher Kometen stellte eine Wasserquelle dar, die schließlich zur Bildung der Ozeane der Erde beitrug.

Das von Kometen bei Einschlägen abgegebene Wasser verdampfte bei der Kollision, kondensierte dann aber und sammelte sich beim Abkühlen auf der Planetenoberfläche an. Es wird angenommen, dass dieser Prozess einer der Mechanismen ist, durch die die Erde an Wasser gelangte und die Entwicklung der für das Leben notwendigen Bedingungen beeinflusste.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das späte schwere Bombardement eine Periode intensiver Asteroiden- und Kometeneinschläge war, die die Oberflächen der inneren Planeten, einschließlich der Erde, maßgeblich veränderten. Der Wassertransport durch Kometen während dieses Bombardements ist ein zentraler Aspekt der Hypothese und liefert Einblicke in den Ursprung des Wassers auf der Erde und die umfassendere Dynamik des frühen Sonnensystems.

Ausgasung aus dem Erdinneren

Überblick über die vulkanische Aktivität:

Vulkanische Aktivität ist ein geologischer Prozess, bei dem Magma (geschmolzenes Gestein), Gase und andere Materialien aus dem Erdinneren an die Erdoberfläche freigesetzt werden. Dieser Prozess ist mit Vulkanausbrüchen verbunden, die verschiedene Formen annehmen können, darunter explosive Eruptionen mit Aschewolken, Lavaströme und allmählichere Ergussausbrüche. Volcanoes sind die primären geologischen Merkmale, durch die sich vulkanische Aktivität manifestiert.

Vulkanische Aktivität findet an Plattengrenzen und Hotspots statt, wo tektonische Platten interagieren. Es gibt drei Haupttypen von Plattengrenzen, an denen häufig vulkanische Aktivität beobachtet wird:

1. Divergente Grenzen: Die Platten entfernen sich voneinander und es entstehen Lücken in der Erdkruste. Magma steigt auf, um diese Lücken zu füllen, was zur Bildung neuer Kruste führt.
2. Konvergente Grenzen: Platten kollidieren, wobei eine Platte unter die andere gedrückt wird, ein Prozess, der als Subduktion bezeichnet wird. Das kann führen zum Schmelzen der subduzierten Platte und zur Entstehung von Magma, das an die Oberfläche steigt, was zu Vulkanbögen führt.
3. Hotspots: Dies sind Bereiche, in denen Magma aus der Tiefe des Erdmantels aufsteigt und lokal vulkanische Aktivität erzeugt. Hotspots können abseits der Plattengrenzen auftreten und oft Inselketten bilden.

Freisetzung von Gasen aus dem Erdmantel:

Der Erdmantel, der sich unter der Erdkruste befindet, ist eine halbfeste Schicht aus Gestein und Mineralien. Durch vulkanische Aktivität gelangen im Erdmantel eingeschlossene Gase an die Oberfläche. Zu den häufigsten Gasen, die bei Vulkanausbrüchen freigesetzt werden, gehören:

1. Wasserdampf (H2O): Wasser ist ein Hauptbestandteil vulkanischer Gase und wird sowohl in Form von Dampf als auch als gelöstes Wasser im Magma freigesetzt.
2. Kohlendioxid (CO2): Dieses Treibhausgas wird bei Vulkanausbrüchen freigesetzt und trägt zum Kohlenstoffkreislauf bei.
3. Schwefel Kohlendioxid (SO2): Vulkanische Schwefeldioxidemissionen können zur Bildung von Sulfataerosolen in der Atmosphäre führen und das Klima und die Luftqualität beeinträchtigen.
4. Andere Gase: Vulkanische Gase können auch Stickstoff, Methan, Wasserstoff und Spuren anderer Verbindungen enthalten.

Beitrag von Wasserdampf zur Atmosphäre:

Bei Vulkanausbrüchen freigesetzter Wasserdampf trägt wesentlich zur Entstehung der Erdatmosphäre bei. Der aus dem Erdmantel freigesetzte Wasserdampf kann mehrere Wirkungen haben:

1. Auswirkungen auf das Klima: Wasserdampf ist ein Treibhausgas und seine Freisetzung bei vulkanischer Aktivität kann zu kurzfristigen Auswirkungen auf das Klima beitragen. Die Gesamtauswirkungen hängen jedoch vom Ausmaß und der Dauer des Ausbruchs ab.
2. Wolkenbildung: Bei Vulkanausbrüchen freigesetzter Wasserdampf kann in der Atmosphäre kondensieren und Wolken bilden. Diese Vulkanwolken können sowohl lokale als auch globale Auswirkungen auf das Wettergeschehen haben.
3. Wasserquelle für Ozeane: Über geologische Zeiträume hinweg hat das kontinuierliche Ausgasen von Wasserdampf durch vulkanische Aktivität zur Bildung und Wiederauffüllung der Ozeane der Erde beigetragen. Bei Vulkanausbrüchen freigesetztes Wasser kondensiert schließlich und fällt als Niederschlag.

Während die Abgabe von Wasser an die Erdoberfläche durch vulkanische Ausgasungen ein fortlaufender Prozess ist, wird das späte schwere Bombardement, wie bereits erwähnt, auch als wesentlicher Faktor für den Wassergehalt der Erde angesehen, da es wasserreiche Kometen auf den Planeten bringt. Zusammen haben diese Prozesse über Milliarden von Jahren die Atmosphäre und Oberfläche der Erde geformt.

Die Rolle von Kometen und Asteroiden

Zusammensetzung von Kometen und Asteroiden:

Kometen und Asteroiden sind Himmelskörper, die im frühen Sonnensystem eine entscheidende Rolle spielten und weiterhin die Dynamik von Planeten, einschließlich der Erde, beeinflussen.

Kometen: Kometen sind eisige Körper, die aus flüchtigen Verbindungen, Wassereis, Staub und anderen organischen Molekülen bestehen. Der Kern eines Kometen ist ein fester, eisiger Kern, dessen Größe zwischen einigen Kilometern und mehreren Dutzend Kilometern liegen kann. Wenn sich ein Komet der Sonne nähert, sublimieren die Sonneneinstrahlung die flüchtigen Materialien, wodurch eine leuchtende Koma (eine Wolke aus Gas und Staub) und oft ein Schweif entsteht, der von der Sonne wegzeigt. Die Zusammensetzung von Kometen umfasst Wassereis, Kohlendioxid, Methan, Ammoniak und komplexe organische Moleküle.

Asteroiden: Asteroiden sind felsige oder metallische Körper, deren Größe zwischen einigen Metern und Hunderten von Kilometern variiert. Sie sind Überreste des frühen Sonnensystems und bestehen hauptsächlich aus Mineralien, Metallen und Gesteinsmaterialien. Asteroiden kommen im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter vor, können aber auch in anderen Regionen des Sonnensystems vorkommen.

Beweise für ihren Beitrag zum Wasser der Erde:

1. Isotopenzusammensetzung:
   • Die Isotopenzusammensetzung des Wassers auf der Erde, insbesondere das Verhältnis von Deuterium zu Wasserstoff (D/H-Verhältnis), wurde untersucht. Oft wird festgestellt, dass Kometenwasser ein D/H-Verhältnis aufweist, das mit den in den Ozeanen der Erde beobachteten Werten übereinstimmt, was die Annahme stützt, dass Kometen eine Quelle für irdisches Wasser gewesen sein könnten.
2. Dynamik des frühen Sonnensystems:
   • Die späten Stadien der Entstehung des Sonnensystems beinhalteten dynamische Prozesse wie die Wanderung von Riesenplaneten und das späte schwere Bombardement. Diese Prozesse könnten Kometen und Asteroiden in Richtung des inneren Sonnensystems gestreut haben, was zu Einschlägen auf der Erde und der Lieferung von Wasser geführt hätte.
3. Beobachtungen von Wasser in Kometen und Asteroiden:
   • Weltraummissionen wie die Rosetta-Mission der Europäischen Weltraumorganisation zum Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko haben direkte Beobachtungen von Wassereis auf Kometen ermöglicht. Darüber hinaus hat die Analyse von Meteoriten, die Überreste von Asteroiden sind, das Vorhandensein hydratisierter Mineralien ergeben, was darauf hindeutet, dass Asteroiden möglicherweise Wasser enthalten.

Modelle der Wasserabgabe von Himmelskörpern:

1. Kometeneinschlagsmodell:
   • Dieses Modell legt nahe, dass während des späten schweren Bombardements Kometen auf der Erde einschlugen und Wasser und flüchtige Verbindungen freisetzten. Die beim Aufprall entstehende Hitze hätte dazu geführt, dass das Wasser in den Kometen verdampfte und zur Bildung der Ozeane auf der Erde beigetragen hätte.
2. Asteroidenbeitrag:
   • Asteroiden, insbesondere kohlenstoffhaltige Chondrite, enthalten bekanntermaßen wasserführende Mineralien. Es wird vermutet, dass Asteroiden durch Einschläge Wasser in die Erdatmosphäre freigesetzt haben. Der Wasserdampf hätte dann kondensieren und im Laufe der Zeit Ozeane bilden können.
3. Kombiniertes Modell:
   • Einige Modelle schlagen eine Kombination aus Kometen- und Asteroidenbeiträgen zum Wasser der Erde vor. Die unterschiedliche Zusammensetzung von Kometen und Asteroiden könnte für die im Wasser der Erde beobachteten Schwankungen der Isotopenverhältnisse verantwortlich sein.

Der genaue Beitrag von Kometen und Asteroiden zum Wasser der Erde ist immer noch ein aktives Forschungsgebiet, und laufende Weltraummissionen und Studien von Himmelskörpern liefern weiterhin wertvolle Einblicke in die Frühgeschichte unseres Sonnensystems und den Ursprung des Wassers auf der Erde.

Zusammenfassung der wichtigsten Punkte

1. Ursprung des Wassers auf der Erde:
   • Das Wasser der Erde hat wahrscheinlich mehrere Quellen, darunter Kometen und Asteroiden, und entweicht bei vulkanischer Aktivität aus dem Erdinneren.
   • Die Hypothese des späten schweren Bombardements legt nahe, dass Kometeneinschläge während eines bestimmten Zeitraums erheblich zum Wassergehalt der Erde beigetragen haben.
2. Vulkanische Ausgasung:
   • Durch vulkanische Aktivität werden Gase, einschließlich Wasserdampf, aus dem Erdmantel an die Oberfläche freigesetzt.
   • Dieser Prozess prägt nicht nur die Landschaft der Erde, sondern trägt auch zur Zusammensetzung der Atmosphäre und zur Bildung von Ozeanen bei.
3. Zusammensetzung von Kometen und Asteroiden:
   • Kometen sind eisige Körper, die aus Wassereis, flüchtigen Verbindungen und organischen Molekülen bestehen.
   • Asteroiden sind felsige oder metallische Körper, die hauptsächlich aus Mineralien, Metallen und felsigen Materialien bestehen.
4. Beitrag zum Wasser der Erde:
   • Die Isotopenzusammensetzung des Wassers auf der Erde sowie Beobachtungen von Kometen und Asteroiden stützen die Annahme, dass diese Himmelskörper eine Rolle bei der Wasserversorgung der Erde spielten.
   • Kometeneinschläge und Asteroidenbeiträge, insbesondere während des späten schweren Bombardements, gelten als wichtige Mechanismen für die Wasserabgabe.
5. Modelle der Wasserversorgung:
   • Das Kometeneinschlagsmodell geht davon aus, dass Kometen bei Kollisionen Wasser zur Erde transportierten, während das Asteroidenbeitragsmodell davon ausgeht, dass Asteroiden durch Einschläge Wasser in die Erdatmosphäre freisetzten.
   • Einige Modelle berücksichtigen eine Kombination aus Kometen- und Asteroidenbeiträgen, um die im Wasser der Erde beobachtete Vielfalt der Isotopenverhältnisse zu erklären.

Bedeutung des Verständnisses des Ursprungs des Wassers auf der Erde:

1. Grundlegend für das Leben: Wasser ist lebenswichtig für das Leben, wie wir es kennen. Das Verständnis seines Ursprungs liefert Einblicke in die Bedingungen, die für die Entstehung und das Gedeihen von Leben auf der Erde notwendig sind.
2. Geologische Geschichte der Erde: Die Untersuchung des Ursprungs von Wasser trägt zu unserem Verständnis der geologischen Geschichte der Erde bei, einschließlich Prozessen wie vulkanischer Aktivität und dem späten schweren Bombardement.
3. Planetenentstehung: Einblicke in die Herkunft des Wassers auf der Erde tragen zu unserem umfassenderen Verständnis der Planetenentstehung und der Wasserverteilung im Sonnensystem bei.

Implikationen für die Suche nach Wasser auf anderen Planeten:

1. Bewohnbarkeitsbewertung: Das Verständnis der Mechanismen der Wasserversorgung zur Erde beeinflusst die Suche nach Wasser auf anderen Planeten. Es hilft bei der Beurteilung der potenziellen Bewohnbarkeit dieser Planeten und Monde.
2. Exoplanetenstudien: Die Untersuchung der Wasserquellen auf der Erde leitet die Suche nach Wasser in exoplanetaren Systemen. Es liefert Kriterien zur Beurteilung der Bewohnbarkeit von Exoplaneten anhand ihres Wassergehalts.
3. Astrobiologie: Das Wissen über den Ursprung des Wassers ist für die Astrobiologie von entscheidender Bedeutung und leitet die Suche nach Umgebungen, die Leben außerhalb der Erde ermöglichen könnten. Wasser ist ein Schlüsselfaktor für die Bewohnbarkeit von Himmelskörpern.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Aufklärung des Ursprungs des Wassers auf der Erde nicht nur eine faszinierende wissenschaftliche Untersuchung der Geschichte unseres Planeten ist, sondern auch umfassendere Auswirkungen auf das Verständnis der Planetenentstehung, der Bewohnbarkeit und des Potenzials für Leben im Universum hat. Die Lehren aus der Wassergeschichte der Erde tragen zur fortlaufenden Erforschung anderer Himmelskörper und der Suche nach Leben außerhalb unseres eigenen Planeten bei.

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