5 agrometeorologia grandezze-strumenti_attivita

Agrometeorologia:
Grandezze, Strumenti e Attivita’

Jackson Pollok, Free Form, 1949, Moma

Gianbattista Toller

Thursday, September 2, 2010

Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività

Obbiettivi:

• Descrivere le misure rilevanti per caratterizzare gli eventi
idrometeorologici
• Descrivere sommariamente gli strumenti di misura ed
elencare i principi del loro funzionamento

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Principali grandezze meteorologiche di
interesse idrologico

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1. Temperatura

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1. Temperatura
2. Umidità

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1. Temperatura
2. Umidità
3. Precipitazione

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1. Temperatura
2. Umidità
3. Precipitazione
4. Radiazione

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1. Temperatura
2. Umidità
3. Precipitazione
4. Radiazione
5. Vento

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1. Temperatura
2. Umidità
3. Precipitazione
4. Radiazione
5. Vento
6. Pressione

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1. Temperatura
2. Umidità
3. Precipitazione
4. Radiazione
5. Vento
6. Pressione
7. Bagnatura

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1. Temperatura
2. Umidità
3. Precipitazione
4. Radiazione
5. Vento
6. Pressione
7. Bagnatura
8. Evapo-traspirazione

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Energia e Temperatura
• Un corpo possiede energia quando o si trova già in
movimento (e. cinetica) o, pur essendo in quiete, può (e.
potenziale) con mezzi adeguati mettere in moto sé stesso o
un altro corpo.
• Nei gas la temperatura è legata alla velocità media delle
particelle (atomi o molecole).
• Nei cristalli la temperatura è correlata all’energia cinetica
delle vibrazioni dei suoi atomi intorno alla posizione media.
• In base ai principi della termodinamica dell’equilibrio, due
corpi a temperatura diversa, posti a contatto, assumono la
stessa temperatura
• Il Termometro è lo strumento che misura la temperatura.

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Principali scale di misura
della temperatura
• Relative
– celsius [°C] 0°C=punto triplo di H2O; 100°C
ebollizione di H2O a 1013mB
– fahrenheit [°F] 0°F=temp.miscela ghiaccio+NH3Cl;
97°F=temp.media corpo umano
– t[°C]=5*(t[°F]-32)/9

• Assolute
– kelvin [K] T[K]=273.16+t[°C
– rankine [R] T[R]=459.67+t[°F]
– Nel Sistema Internazionale (SI) la temperatura si misura in
°C e K
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Alcuni fenomeni fisici sfruttati per
misurare la temperatura

• Dilatazione

• Conducibilità elettrica

• Effetto Seebeck

• Emissione di onde elettromagnetiche

• Piroelettricità (variazioni di temperatura polarizzano
elettricamente certi cristalli)

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Dilatazione

• Dilatazione: Il volume dei corpi varia (in genere
aumenta, l’acqua fa eccezzione intorno ai zero
centigradi) in funzione della temperatura

• Termometro a gas (PV=nRT)

• Termometro a liquido (Hg, alcol)

• Termometro a coppia bimetallica

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Termoigrografo

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Conducibilità elettrica
• Conducibilità elettrica: la temperatura influisce sul moto delle
cariche elettriche.

• Nei metalli (Pt, Fe, Cu) la conducibilità cala al crescere della
temperatura:
• termometro a filo di platino (Pt100, Pt1000)

• Nei semiconduttori (Ge, Si) la conducibilità di regola cresce al
crescere della temperatura:
• termometro a diodo, transistor, termistori (negative
temperature coefficient) NTC
• NOTA il termistor (positive temperature coefficient) PTC si
comporta come i metalli 9

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Pt100 temperatura superficiale

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Effetto Seebeck

• Effetto Seebeck: (dal fisico tedesco Johann Thomas S.
1770-1831) se le giunzioni tra i conduttori di natura
diversa in un circuito si trovano a temperature
differenti, si verifica un passaggio di corrente elettrica.

• Termometro a termocoppia

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Effetto Seebeck

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Emissione di onde elettromagnetiche
• Legge di Stefan-Boltzmann: l’energia irradiata da un corpo
cresce con la quarta potenza della temperatura assoluta e
dalla sua emissività relativa
• Per il corpo nero: W [Wm-2]=σT4; σ=5.67032E-8 [Wm2K4] =
costante di Stefan-Boltzmann; T[K]
• Legge di Wien: la frequenza in corrispondenza della quale
l’intensità dell’irraggiamento è massima cresce al crescere
della temperatura assoluta
• T*λmax=2.898E-3 [mK]; T[K]; λ[m]
• λ[m] * ν[s-1] = c [m s-1]; velocità della luce (nel vuoto = 300
000 km/s)
•Strumenti: bolometro, termocamera
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Termocamera

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Umidità

• Indica la quantità di acqua contenuta in un corpo
• In agro-meteorologia interessa in particolare l’umidità di
• Aria
• Suolo
• Parti di una pianta

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Miscele e Fasi
• Miscela: insieme di due o più sostanze che, pur
intimamente mescolate tra loro, conservano le loro
proprietà chimiche inalterate.

• Fase: in chimica, parte omogenea di un sistema che
risulta delimitata da una superficie di separazione
fisicamente definita.

• Esempi:
• Miscela monofasica: aria secca (e filtrata).
• Miscela polifasica: nuvole, terreno
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Gas Vapore Saturazione
• Gas: un insieme di atomi e molecole in un particolare
stato di aggregazione che consente loro muoversi
liberamente e di allontanarsi senza limiti.

• Temperatura critica: temperatura sopra la quale un gas
non può essere liquefatto per compressione.

• Vapore: gas sotto la temperatura critica.

• Vapore saturo: vapore in equilibrio con la fase
condensata (solida e/o liquida)

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Umidità dell’aria

• U.assoluta [kgm-3] = quantità di acqua contenuta in un
metro cubo d’aria libera

• U.relativa [%] = UR = rapporto tra acqua contenuta in 1m3 di
aria libera e quella che conterrebbe 1m3 di aria alla
pressione di vapor acqueo in equilibrio (cioè la alla
pressione di “saturazione”) alla stessa temperatura

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Alcuni fenomeni fisici sfruttati
per misurare l’umidità dell’aria
• Dilatazione

• Adsorbimento (solidi), assorbimento (liquidi) con
variazione di:
• Peso
• Costante dielettrica

• Assorbimento di onde elettromagnetiche

• Emissione di onde elettromagnetiche

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Dilatazione

• Dilatazione: Il volume di alcuni tessuti animali varia (in
genere aumenta) in funzione dell’umidità relativa

• Igrometro a capelli

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Igrometro a capello

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Adsorbimento con variazione
di costante dielettrica
• Adsorbimento: il numero di molecole d’acqua adsorbite da
una laminetta di un adatto polimero cresce in funzione
dell’umidità relativa

• Posta tra due contatti d’oro (armature), la lamina forma un
condensatore elettrico

• In forza della sua alta costante dielettrica relativa (80),
l’acqua adsorbita influenza sensibilmente capacità del
condensatore
– Igrometro elettronico
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Sensori capacitivi

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Lo psicrometro di Regnault

• È costituito da due termometri identici e vicini

• Un termometro è usato normalmente (bulbo asciutto; ta)

• Il bulbo dell’altro termometro è avvolto in una calzetta
bagnata di acqua distillata (bulbo bagnato; tb) e lambito da un
flusso d’aria con velocità di 3÷8 m/s

• Con UR=100%, ta=tb; tb cala in funzione dell’UR

• La formula di Regnault, permette di risalire a UR

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Psicrometro di Asmann

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Umidità del terreno

• Uu w/w [kg/kg] = peso su peso; kg di acqua in un kg di
terreno umido

• Us w/w [kg/kg] = peso su peso; kg di acqua in un kg di
terreno secco

• Uv v/v [m3/m3] = volume su volume; m3 di acqua in un m3 di
terreno tal quale; è il modo più utile per l’irrigazione; si
esprime spesso in [mm/m] o [L/m3]

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misurare l’umidità del terreno

• Peso

• Tensione interfacciale


• Conducibilità termica

• Costante dielettrica

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Peso
• Peso: si pesa la quantità di acqua contenuta in un certo
volume di terreno

– Metodo gravimetrico: Si toglie il peso secco (24 ore in
stufa a 105°C) di un campione di terreno dal peso fresco
(è un metodo distruttivo).

– Lisimetro a pesata: una pianta in vaso viene pesata
periodicamente; si valutano variazioni, non valori
assoluti

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Tensione interfacciale
• Tensione interfacciale: l’acqua (o più esattamente la
soluzione circolante) è trattenuta nel terreno
principalmente per capillarità
– tensiometro: un contenitore con acqua disaerata è
messo a contatto con il terreno per mezzo di un setto
ceramico poroso. L’acqua esce attraverso il setto
creando nel contenitore una depressione misurabile con
un vacuometro. Il flusso di ferma quando tensione
interna ed esterna si equivalgono.

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Tensiometro

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• Conducibilità elettrica : la variabile quantità di acqua
presente in un mezzo poroso immerso nel terreno, fa
variare la conducibilità elettrica

– Blocchetti di boyoucous: due elettrodi sono immersi
in un blocchetto di gesso poroso

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Conducibilità termica

• Conducibilità termica : la variabile quantità di acqua
presente nel terreno, fa variare la sua diffusività termica

– sensori basati su diffusività: sono dotati di una
resistenza elettrica per il riscaldamento e di un
termometro

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Conducibilità termica

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Costante dielettrica
• Costante dielettrica: la variabile quantità di acqua
(cost.diel.=80) presente nel terreno (cost.diel.=3÷4), fa
variare sensibilmente la sua costante dielettrica totale

– Capacità elettrica: un condensatore elettrico usa quale
dielettrico il terreno

– velocità di propagazione: la velocità di un’onda
elettromagnetica cala al crescere della costante dielettrica
del mezzo in cui si propaga (TDR,TDT)

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Costante dielettrica

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Precipitazione
• Indica l’acqua che abbandona l’atmosfera e si deposita al
suolo
• Fase liquida
– pioggia
– rugiada
• Fase solida
– neve
– grandine
– brina

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misurare le precipitazioni

• Peso & Volume

• Assorbimento di onde elettromagnetiche

• Riflessione di onde elettromagnetiche

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Peso & Volume
• Peso: La precipitazione viene raccolta in un recipiente e
pesata
– Pluviometro a bascula

– Pluviometro a pesata

• Volume: La precipitazione viene raccolta in un
recipiente graduato
– Pluviometro a secchio

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Pluviometro

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Assorbimento di
onde elettromagnetiche
• Assorbimento di onde elettromagnetiche : Il passaggio di
ogni goccia, fiocco o chicco interrompe un fascio di luce.

• Il numero e la durata delle interruzioni permettono di stabilire
tipo e dimensioni di ogni oggetto conteggiato
– disdrometro

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Riflessione di onde elettromagnetiche

• Riflessione di onde elettromagnetiche : un fascio di
onde elettromagnetiche di opportuna lunghezza d’onda
viene proiettato verso la zona soggetta a precipitazione.

• L’intensità delle onde riflesse permette di stimare tipo ed
intensità della precipitazione

– Radar meteorologico

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Radiazione

• Indica l’energia che viene scambiata sotto forma di onde
elettromagnetiche

• Radiazione globale [Wm-2]: flusso di potenza
elettromagnetica in arrivo su una superficie piana

• Radiazione netta [Wm-2]: (Radiazione in arrivo – Radiazione
emessa) da una superficie piana

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Alcuni fenomeni fisici
sfruttati per misurare la radiazione

• Dilatazione

• Effetto Seebeck

• Effetto fotovoltaico

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Dilatazione

• Dilatazione: Il volume dei corpi varia (in genere aumenta) in
funzione della temperatura

– Piroeliometro: termometro a coppia bimetallica annerito,
protetto da cupola di vetro.

– Attinometro: termometro a mercurio con bulbo annerito

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Effetto Seebeck

• Effetto Seebeck: se le giunzioni tra i conduttori di natura
diversa in un circuito si trovano a temperature differenti,
si verifica un passaggio di corrente elettrica.

– Radiometro a termocoppia: termocoppie in serie con
giunto caldo in contatto con una superficie annerita
protetta da cupola di vetro

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Piranometro a termopila

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Effetto fotovoltaico

• Effetto voltaico: un diodo a giunzione PN
opportunamente costruito, fornisce una corrente
elettrica direttamente proporzionale all’intensità della
radiazione assorbita

– Radiometro a diodo (in genere al Silicio)

– Telecamera nel visibile

– termocamera

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Vento
• Indica il movimento dell’aria

• Il vento è una grandezza vettoriale formata da:

– Intensità [m/s] [km/h] [nodi]

– Direzione [gradi sessagesimali]

• NB: del vento di indica la direzione di PROVENIENZA

• Per usi agrometeo correnti non si rileva la componente
verticale del vento

• Vengono usate di solito coordinate polari orarie con N=0° e
S=180°

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misurare il vento
• Pressione differenziale

• Pressione d’arresto (tubo di Pitot)

• Effetto venturi (anemometri a elica)

• Velocità di propagazione del suono

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Pressione differenziale
• Pressione differenziale: la pressione esercitata in modo
differente sui lati di un oggetto, tende a farlo ruotare
– Anemoscopio: una banderuola libera di ruotare su un asse
verticale si dispone in modo che le forze sulle due facce
siano in equilibrio
– Anemometro a coppe: tre coppe semisferiche sono ai
vertici di un triangolo equilatero con asse di rotazione
normale al centro. Spinta del vento massima sulla
concavità, minima sulla convessità. La velocità di rotazione
è proporzionale a quella del vento

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Velocità e
direzione vento

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Gianbattista Toller



Velocità di propagazione del suono
• Velocità di propagazione del suono: un emettitore di
ultrasuoni è posto ad una certa distanza da un captatore.

• Il tempo di percorrenza di un impulso sonoro è minore con
il vento a favore, maggiore con vento contrario

• La misura viene fatta su due o tre assi ortogonali

• Si misura sia Velocità che Direzione (e anche Temperatura
dell’aria)

• Anemometro sonico

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Anemometro sonico

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Pressione Atmosferica

• Rappresenta il peso della “colonna” di atmosfera
sovrastante un punto dato

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sfruttati per misurare la pressione

• Equilibrio idrostatico

• Elasticità

• Effetto piezoelettrico

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Equilibrio idrostatico

• Equilibrio idrostatico: Equilibrio idrostatico tra due
fluidi di differente densità (mercurio-aria)

– Barometro di Torricelli

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Barometro a mercurio

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Elasticità

• Elasticità: Deformazione di un contenitore elastico in
cui è stato fatto il vuoto

– Barometro aneroide

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Barometro aneroide

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Effetto piezoelettrico

• Effetto piezoelettrico: La deformazione di un cristallo
piezoelettrico induce sulle sue facce una differenza di
potenziale elettrico

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Sensori piezoelettrici

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Bagnatura
• La bagnatura delle foglie, dei fiori e dei frutti è spesso la
condizione necessaria per la diffusione di funghi e batteri

• I più importanti in Trentino:

– Peronospora (fungo-alga; vite, patata, pomodoro...)

– Ticchiolatura (fungo; melo, pero)

– Botrite (fungo; vite)

– Colpo di fuoco (batterio; melo, pero)

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sfruttati per segnalare la bagnatura
• Dilatazione


NB: gli strumenti non misurano la bagnatura di una pianta,
bensì cercano di imitare il comportamento di una
pianta. Stabilire l’inizio bagnatura è facile, stabilire la
fine è difficile.

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Dilatazione

• Dilatazione: Il volume di alcune sostanze vegetali varia
in funzione dell’umidità relativa

– Bagnografo di Bezier con striscia di carta

– Bagnografi con filo di canapa

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Gianbattista Toller




• Conducibilità elettrica: due strisce di metallo (elettrodi)
parallele sono fissate su un supporto isolante distanziate
di circa 1mm.

• A secco la resistenza al passaggio della corrente elettrica
è molto alta

• In presenza di acqua si ha una forte diminuzione di
resistenza.

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Gianbattista Toller



Bagnatura fogliare

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Gianbattista Toller



Evapo-traspirazione
• Evaporazione (E): acqua evaporata da materiali non viventi
(terreno, laghi, etc)

• Traspirazione (T): acqua evaporata da materiali viventi
(foglie, frutti, fusti)

• Evapo-traspirazione (ET): la somma di E e T

• La massima parte dell’acqua traspirata, serve a mantenere la
pianta idratata e fresca, solo una minima percentuale serve
per la fotosintesi

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Gianbattista Toller



Come misurare e stimare ET

• Bilancio Idrico dei suoli

• Formule: ET=f (Temp,UR,Vento, Rad)

• Conducibilità termica

• Eddy Correlation

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Gianbattista Toller



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Gianbattista Toller



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Gianbattista Toller



Misura della neve

Misura dello
spessore totale Tavoletta per la misura
giornaliera della neve
fresca

Daniele Cat Berro



Misura della neve
Asta
nivometrica

Pluviometro
manuale

Daniele Cat Berro



Misura della neve

Stazioni meteorologiche per monitoraggio in tempo reale
e analisi dell’andamento climatico

Daniele Cat Berro



Misura della neve

Daniele Cat Berro



Misura della neve
Col de Porte (French Alps 1340m)

Anemometri
Misuratore
Geonor Misuratore ad
ultrasuoni
Pluviometro
riscaldato

Lisimetro

Settlement
disks

Sghiacciatore
Tavoletta Piranometro e
radiometro

Yves Lejeune



Grazie per l’attenzione!

G.Ulrici - Uomo dope aver lavorato alle slides , 2000 ?

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