秦定龍

(四川電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川成都 610072)

1 氣候變化與全球氣候變暖的概念

氣候總是不斷變化的,這種變化的起伏通常被看成是一種自然現(xiàn)象。從定義上講,氣候變化是指氣候平均狀態(tài)統(tǒng)計學(xué)意義上的巨大改變或者持續(xù)較長一段時間的氣候變量的明顯變化,氣候變量包括氣溫、降雨量、氣流及其它變量。氣候變化可以是自然因素或自然過程引起的,也可以是由人類活動造成的?！堵?lián)合國氣候變化框架公約》(U N F C C C)第一款中,將“氣候變化”定義為:“經(jīng)過相當(dāng)一段時間的觀察,在自然氣候變化之外由人類活動直接或間接地改變?nèi)虼髿饨M成所導(dǎo)致的氣候改變。”U N F C C C因此將因人類活動而改變大氣組成的“氣候變化”與歸因于自然原因的“氣候變率”區(qū)分開來。筆者在文中探討的氣候變化是專門指由人類活動所導(dǎo)致的氣候變量的改變。

氣候變化主要表現(xiàn)在三個方面:全球氣候變暖、酸雨和臭氧層破壞。其中全球氣候變暖是人類目前最迫切需要解決的問題,關(guān)系到人類的未來。而全球氣候變暖則是用來描述全球地表氣溫普遍升高的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象可以是自然原因造成的,也可以是由人類活動引發(fā)的。兩者相比,全球氣候變暖是專指氣溫升高這一變化,因此,氣候變化所涵蓋的范圍更廣,不但包括氣溫升高還包括其它氣候變量的變化,這兩者在其本質(zhì)上來講是相互關(guān)聯(lián)的,全球氣候變暖是導(dǎo)致氣候變化的原因,而氣候變化則因為全球氣候變暖才成為熱門問題。在分析開發(fā)水電可以有效減少二氧化碳排放的因果關(guān)系上,必須首先弄清楚氣候變化與全球氣候變暖的基本概念?？茖W(xué)界普遍認為,氣候變化與全球氣候變暖都可以導(dǎo)致產(chǎn)生同樣觸目驚心的惡果。

2 引起全球氣候變暖的原因和后果

全球氣候變暖對地球的影響最大,是目前全人類迫切需要解決的共同難題。

(1)引起全球氣候變暖的主要原因。

根據(jù)物理學(xué)原理,自然界的任何物體都在向外輻射能量,被稱為熱輻射。一般物體熱輻射的波長有一定的范圍,由該物體的絕對溫度決定。溫度越高,熱輻射的強度越大,短波所占的比重越大;溫度越低,熱輻射的強度越低,長波所占的比例越大。太陽表面溫度約為絕對溫度6 000 K,熱輻射的最強波段為可見光部分;地球表面的溫度約為 288 K,地表熱輻射的最強波段位于紅外區(qū)。太陽輻射透過大氣層到達地球表面后,被巖石土壤等吸收,地球表面溫度上升;與此同時,地球表面物質(zhì)向大氣發(fā)射出紅外輻射。大氣層對紅外輻射具有強烈的吸收作用,這就造成地球表面從太陽輻射獲得的熱量相對多,而散失到大氣層以外的熱量相對少,從而使得地球表面的溫度得以增高,這就是大氣的溫室效應(yīng)。溫室效應(yīng)主要是因為人類活動增加了溫室氣體的數(shù)量和種類,阻止了地面熱量的散發(fā),從而使地球變暖。最終,地球接受到的太陽輻射的能量和它散失的紅外輻射的能量達到平衡,形成地球表面現(xiàn)有的平均氣溫。

地球大氣是多種氣體的混合物,其中氮氣和氧氣占其總量的 99%,但起到溫室效應(yīng)的卻主要是一些微量氣體,它只占地球大氣體積的 1%,這些氣體對太陽輻射的主體部分——短波和可見光吸收很弱,而對地面發(fā)出的長波輻射吸收強烈。因此,當(dāng)它們在大氣中的濃度增加時,大氣的溫室效應(yīng)就會加劇,引起地球表面和大氣層下部的溫度升高。這些氣體被稱為“溫室氣體”?！皽厥覛怏w”主要包括二氧化碳、臭氧、甲烷、氯氟烴、一氧化碳和水蒸汽等。近百年來的氣候變暖被認為是二氧化碳等溫室氣體在大氣中的濃度大幅度上升的結(jié)果。

二氧化碳和水蒸汽是最重要的兩種溫室氣體,其中二氧化碳在大氣中的含量僅占 0.03%左右,自然環(huán)境中的溫室效應(yīng)正是依靠這兩種氣體的存在才得以正常進行。研究表明,溫室氣體都有保溫和增溫作用。由于二氧化碳在溫室氣體中的含量高,二氧化碳分子在大氣中的存在時間很長(約為 50～200年),因此,二氧化碳的增溫作用最強。二氧化碳含量的大量增加,會導(dǎo)致地球表面附近的大氣溫度持續(xù)增加。也就是說,二氧化碳是造成全球氣候變暖的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

綜合分析表明,引起溫室氣體增加的主要原因是人類活動。以二氧化碳為例,在人類社會實現(xiàn)工業(yè)化以前的 19世紀初,大氣中的二氧化碳的含量僅占 0.028%,而到了 2010年,二氧化碳的含量達到了 0.037%以上。據(jù)科學(xué)界推測,溫室效應(yīng)加劇 70%以上的原因是由于大氣中二氧化碳含量的增加。大氣中二氧化碳濃度增加的原因主要有兩個:首先,由于人口的劇增和工業(yè)化的發(fā)展,人類社會消耗的化石燃料急劇增加,估計人類向大氣中排放了 1 600億 t二氧化碳。如此大量的二氧化碳進入大氣,使大氣中的二氧化碳濃度增加;其次,森林毀壞使得被植物吸收利用的二氧化碳量的減少,造成二氧化碳被消耗的速度降低,同樣會造成大氣中二氧化碳濃度升高。

(2)全球氣候變暖對地球和人類世界的危害。

英國倫敦智庫機構(gòu)——國際戰(zhàn)略研究所于最近發(fā)表的報告稱:宗教極端勢力、全球氣候變暖和核擴散是世界今后幾年中面臨的主要安全威脅,而全球氣候變暖的危害堪比爆發(fā)核戰(zhàn)爭。報告認為:人類活動是全球氣候變暖的原因,人類需要立即采取行動控制溫室氣體減排。報告說:“如果溫室氣體排放仍得不到控制,其災(zāi)難性后果不亞于發(fā)生一場核戰(zhàn)爭。”這樣的災(zāi)難性后果“如果沒有發(fā)生在本世紀,必然會發(fā)生在下個世紀”。

氣候變暖會導(dǎo)致重大自然災(zāi)害增加和國家間爭斗等問題,危及人類安全。概括起來,全球氣候變暖對地球和人類世界的危害如下。

①氣候變暖使冰川消融,海平面升高,引起海岸灘涂濕地、紅樹林和珊瑚礁等生態(tài)群喪失,海岸侵蝕,海水入侵沿海地下淡水層,沿海土地鹽漬化等,從而造成海岸、河口、海灣自然生態(tài)環(huán)境失衡,給海岸帶生態(tài)環(huán)境帶來極大的災(zāi)難。

②水域面積增大,水分蒸發(fā)更多,雨季延長,水災(zāi)正變得越來越頻繁,遭受洪水泛濫的機會增大、遭受風(fēng)暴影響的程度和嚴重性加大,水庫大壩壽命縮短。

③氣溫升高會使地球兩級的冰雪融化,北極熊和海象會漸漸滅絕。

④許多小島將會無影無蹤,小島上的一切會被淹沒在海水面以下,后果可怕。

⑤因為還有熱力慣性的作用,現(xiàn)有的溫室氣體還將繼續(xù)影響人類的生活。

⑥溫度升高將影響人的生育,進而影響到人類的繁衍和生息。

⑦造成原有生態(tài)系統(tǒng)的改變和破壞。

⑧對人類生產(chǎn)領(lǐng)域影響巨大,農(nóng)、林、牧、漁業(yè)等部門會失去常態(tài)運轉(zhuǎn)。

⑨將感染疾病等傳染病,病菌通過極端天氣和氣候事件(厄爾尼諾現(xiàn)象、干旱、洪澇、熱浪等)傳遞,擴大疫情的流行,對人體健康危害增加等。

⑩會改變世界的政治格局。

要阻止全球氣候變暖,就必須限制二氧化碳的排放量,這就等于是限制了對能源的消耗,必將對世界各國的經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生制約性的影響。二氧化碳如何在各國“減排”已成為各國討論的焦點問題。發(fā)展中國家和發(fā)達國家關(guān)于溫室氣體“減排”的爭吵,致使阻止全球氣候變暖的科學(xué)問題必然引發(fā)“南北關(guān)系”問題,從而使氣候問題成為一個國際性政治問題,進而會改變世界的政治格局。

3 減緩全球氣候變暖的有效措施

由于全球氣候變暖將對人類世界帶來災(zāi)難性后果,因此各國政府與公眾對變暖問題產(chǎn)生了極大的關(guān)注。全球氣候變暖問題不僅是科學(xué)問題、環(huán)境問題,而且是能源問題、經(jīng)濟問題和政治問題。氣候變暖問題是當(dāng)今全人類面臨的挑戰(zhàn),是全人類需要共同解決的難題。

在目前的認識水平下,二氧化碳在大氣中的含量增加是造成全球氣候變暖的罪魁禍?zhǔn)?。而二氧化碳含量的增加主要又是由于人類大量使用煤炭、石油等化石燃料造成的。要減緩全球氣候變暖的目標(biāo),順理成章的主要措施就是減少二氧化碳向大氣中的排放量。因此,減排問題就是居住在地球村內(nèi)每一個居民應(yīng)盡的責(zé)任和義務(wù),如果不減排,大家就一起毀滅。目前來看,有效的減少二氧化碳的排放量是減緩全球氣候變暖的有效措施。一些組織和國家在減排問題上已采取了重大措施。

(1)歐盟加大開發(fā)可再生能源。

為應(yīng)對全球氣候變暖問題,歐盟準(zhǔn)備在 2013年前投資 1 050億歐元發(fā)展“綠色經(jīng)濟”。加大開發(fā)可再生能源力度,減少對化石能源的依賴,計劃到 2020年將溫室氣體排放量在 1990年的基礎(chǔ)上減少 20%。到 2020年把可再生能源的比例提高到 20%,把用于交通的生物燃料至少提高到10%,將煤、石油、天然氣的消耗減少 20%。

(2)美國出臺應(yīng)對措施。

美國政府?dāng)M出臺一整套應(yīng)對措施:啟動“總量控制和碳排放交易”體系;每年確定目標(biāo),最終在 2020年前將溫室氣體排放降低到 1990年的水平,并到 2050年再減少 80%;另將投資 150億美元開發(fā)清潔能源,發(fā)展安全核能與清潔煤炭技術(shù)。

(3)中國廣泛參與國際合作。

中國一直積極推進減緩氣候變化的政策和行動,是遏制溫室氣體排放的積極參與者。在調(diào)整經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、大力節(jié)約能源、提高能源利用效率、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)等方面做出了不懈努力,并取得了顯著成效。在 2009年末舉行的哥本哈根國際氣候變化大會中,中國政府表現(xiàn)出了解決世界氣候問題的態(tài)度、誠意和決心。

遏制全球氣候變暖需要各國聯(lián)手,落實《聯(lián)合國氣候變化框架公約》和《京都議定書》相關(guān)條款,提高能源能效,開發(fā)新能源,節(jié)能減排,最后達到減緩全球氣候變暖的目標(biāo)。

4 開發(fā)水電可以有效減少二氧化碳的排放

2009年 6月 22日,《美國清潔能源安全法案》獲得眾議院通過。該法案規(guī)定,從2020年起,美國總統(tǒng)將獲權(quán)對來自沒有達到溫室氣體減排標(biāo)準(zhǔn)的國家的產(chǎn)品采取“邊界調(diào)節(jié)稅”,亦稱“碳關(guān)稅”。從而使減少二氧化碳排放這樣一個純技術(shù)問題上升為國與國之間的經(jīng)濟問題、政治問題。對于以出口為經(jīng)濟推動的發(fā)展中國家來說,“碳關(guān)稅”是一把懸在頭上的“達摩克利斯劍”。

為了落實《京都議定書》相關(guān)條款和溫家寶總理提出的節(jié)能減排目標(biāo):到 2020年,我國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比 2005年下降 40%～45%,同時不受制于美國的“碳關(guān)稅”控制。根據(jù)中國本身在能源開發(fā)和利用方面的特點,制定出適合本國國情的二氧化碳減排方案,才是強國大計。

(1)中國的水能資源非常豐富,理論蘊藏量世界第一。

我國水能資源非常豐富,2005年 11月 26日,全國水力資源復(fù)查工作領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室發(fā)布了全國水力資源復(fù)查的主要成果:中國大陸水力資源理論蘊藏量在 1萬 k W及以上的河流共計 3 886條,水力資源理論蘊藏量年電量為 60 829億 k W?h,平均功率為 69 440萬 k W;技術(shù)可開發(fā)裝機容量為54 164萬 k W,年發(fā)電量為 24 740億 k W?h;經(jīng)濟可開發(fā)裝機容量為40 180萬 k W,年發(fā)電量 17 534億 k W?h。中國水力資源理論蘊藏量、技術(shù)可開發(fā)量、經(jīng)濟可開發(fā)量及已建和在建開發(fā)量均居世界首位。水力資源是我國能源資源的最重要的組成部分之一,如果將其折算成標(biāo)準(zhǔn)煤,相當(dāng)于我國能源總量的 40%左右。水能是可再生能源,優(yōu)先發(fā)展水電是我國能源發(fā)展戰(zhàn)略之一;利用水能,開發(fā)水電也是我國的基本國策之一。

(2)中國水能資源開發(fā)程度遠低于世界發(fā)達國家水平。

截至到 2010年底,我國的水電裝機容量已達到 2.134億 k W,占技術(shù)可開發(fā)量的 39.4%,與發(fā)達國家開發(fā)程度已達到 70%相比,我國水力資源的開發(fā)程度相當(dāng)?shù)?因此,水力資源開發(fā)利用的潛力相當(dāng)巨大,任重而道遠,水電開發(fā)前景一片光明。水電、風(fēng)電等清潔能源在我國能源中所占的比重如表 1所示。

表 1 中國一次能源消費構(gòu)成及其變化表(1957～2007年) /%

統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,新中國成立 60余年以來,水能、核能和風(fēng)能等清潔能源成逐步上升的趨勢,但總體上升幅度不大。2008年以前,清潔能源最高消費僅占總能源年消費的 7.5%左右,這其中的絕大部分是水能消費,而核能和風(fēng)能僅占很少的比例,說明中國在開發(fā)利用水電方面還有巨大的潛力。

(3)中國與西歐和北美等發(fā)達國家相比水能開發(fā)利用程度差距很大。

有關(guān)世界組織 1992年發(fā)表的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明:在 1991年,加拿大的水電發(fā)電量已占全國總發(fā)電量的 61.9%、瑞士占 56.2%、奧地利占 67%、巴西占 88%、秘魯占 82%,而當(dāng)時美國的水電裝機容量居世界第一位,占可開發(fā)量的 50%。挪威現(xiàn)有電力裝機容量 2 700萬 k W,其中 99%是水電,僅有 1%(即 27萬 k W)的工廠備用火電機組,年發(fā)電量中 99.6%為水電。到目前為止,西歐和北美等發(fā)達國家的水能開發(fā)程度已普遍超過 70%,個別國家已無水能可開發(fā)。而中國截至到 2009年,水能開發(fā)程度僅為 35%左右,其發(fā)電量僅占15.91%,說明中國的水能開發(fā)程度遠遠低于西歐和北美、日本等西方發(fā)達國家,差距很大,還有很多路要走。在大力減少二氧化碳排放量的當(dāng)今世界,中國只有加快水能開發(fā)的力度,經(jīng)濟才能持續(xù)、穩(wěn)定、安全、高速的發(fā)展。

(4)水電比太陽能和風(fēng)能的優(yōu)點更為突出。

在單獨驅(qū)動大功率機械方面,太陽能顯然不及水能。太陽能和風(fēng)能不能為大型工廠提供充足的電力,不能牽引火車在鐵軌上飛奔。目前,水力發(fā)電機組的單機容量可達到(80～100)萬 k W,而太陽能的最大輸出功率則無法與水能相提并論。

太陽能是窮人的奢侈品,其成本居高不下。與傳統(tǒng)能源——水、火電相比沒有任何優(yōu)勢。按照 2006年的經(jīng)濟發(fā)展水平,太陽能單位發(fā)電成本為 2.38元/k W?h,而同期的煤電僅為 0.21元/k W?h,水電則更低。因為發(fā)展中國家有大量的傳統(tǒng)能源但因其排放較多的溫室氣體而被限制使用,需從發(fā)達國家購買昂貴的風(fēng)力、太陽能發(fā)電設(shè)備而花掉大量外匯,反而失去了更多的發(fā)展機會,所以說太陽能是窮人的奢侈品。

太陽能和風(fēng)能很不穩(wěn)定,陰天和下雨天太陽能發(fā)電會受到很大的影響。此外,大氣影響風(fēng)的因素很多,影響風(fēng)的因素人類不可控,風(fēng)的變化隨機性很大。

太陽能和風(fēng)能發(fā)電的核心技術(shù)掌握在歐美等發(fā)達國家的手中,而發(fā)展中國家始終處于被動受控的狀態(tài),因此,不能因為“二氧化碳排放”問題影響發(fā)展中國家的發(fā)展。

太陽能是否就是真正絕對清潔的能源嗎?答案是否定的。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),太陽能發(fā)電所需要的初硅提純是一個高耗能、重污染的行業(yè),而主要的生產(chǎn)基地就在中國。

目前,中國已經(jīng)成為世界最大的光伏產(chǎn)業(yè)市場,太陽能最重要的原料多晶硅的生產(chǎn)效率低下,國內(nèi)部分企業(yè)多晶硅制造技術(shù)陳舊,耗電量大,同時伴隨著巨大的污染。每提純 1 t多晶硅就會有8 t以上的四氯化硅產(chǎn)出,以及三氯氫硅、氯氣等廢液、廢氣排出。中國太陽能產(chǎn)業(yè)的繁榮是以犧牲脆弱偏遠地區(qū)的環(huán)境為代價的。

中國太陽能市場“兩頭在外”,即核心技術(shù)、重要原料、銷售市場均在國外,中國只是一個簡單的加工廠,將便利輸送到了國外,自己卻變得滿身灰濁。

風(fēng)力發(fā)電也有污染。來自日本的風(fēng)力發(fā)電監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,風(fēng)力發(fā)電機組工作時會產(chǎn)生很大的噪音,對附近居民的生活和休息都有影響。此外,風(fēng)力發(fā)電機高度一般均在 10～20 m左右,都是“龐然大物”,再加上風(fēng)機“嗡嗡”作響的噪音,遷徙的候鳥不敢降落覓食休息,生活在附近的海鳥紛紛“搬家”,生態(tài)環(huán)境受到了影響。

綜上所述,水能比太陽能和風(fēng)能還是要占很大的優(yōu)勢。

(5)水電的碳排放系數(shù)最低。

表 2列出了各類發(fā)電的碳排放系數(shù)。

表 2 各類發(fā)電碳排放系數(shù)表

由表 2可以看出:對于水電、核電、風(fēng)電和太陽能的減排力度,水電的碳排放系數(shù)是最低的。

(6)提高水電在一次能源消費中的比重,可以大大減少二氧化碳排放量。

2009年,全國全社會用電量為 36 506.23億k W?h。其中煤電和水電等各種類型的發(fā)電量和所占比重如表 3所示。

表 3 中國 2009年發(fā)電量及分類情況表

可見,中國一次能源的構(gòu)成主要是煤電和水電,其它類型發(fā)電量所構(gòu)成的比重很小。根據(jù)中國能源構(gòu)成的國情和實際情況,如何加快開發(fā)水電和加重水電在能源消費中的比重,是減少二氧化碳排放量的有效途徑。

以 2009年全國全社會用電量為基準(zhǔn)計算出的 2009年二氧化碳排放量及火、水電比例發(fā)生變化時的碳排放量如表 4所示。

由表 4中的計算可以看出,假設(shè)以 2009年的總發(fā)電量為基數(shù),適當(dāng)增加水電在一次能源消費中的比重,可以較快的減少碳排放量,這是因為水電的碳排放系數(shù)是所有發(fā)電種類中最低的(它只有煤電的 1/55)緣故。假如水電發(fā)電量增加 1%,則一年可減少二氧化碳排放量約為 968萬 t。根據(jù)中國能源構(gòu)成的實際情況,如果把水電發(fā)電量增加 10%,即水電發(fā)電量占到中國一次能源消費的 25%左右,則可每年減少碳排放量大約為9 677萬 t,這是一個不小的數(shù)字,只有這樣,才能履行中國到 2020年我國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值碳排放比 2005年下降 40%～45%的承諾。減少了碳的排放量,也就是減少了二氧化碳的排放量。既使把中國水電發(fā)電量提升到一次能源消費 25%的水平,與西歐和北美等國家相比,差距還是很大。

表 4 2009年火、水電及比重變化時碳排放量變化表 /萬 t

(7)美國的研究成果表明:水電站的存在可以減少二氧化碳排放。

美國西北電力規(guī)劃委員會最近的一項研究表明,在美國西北部地區(qū),由于水電站的存在,使發(fā)電排放的二氧化碳量明顯低于其它區(qū)域。其研究結(jié)果顯示,2005年,在正常的水資源條件下,美國西北部地區(qū)發(fā)電站每兆瓦時(M W?h)的二氧化碳排放量為 236 k g,而整個西部地區(qū)電網(wǎng)的排放量為每兆瓦時 408 k g。

5 結(jié) 語

中國水能資源理論蘊藏量和年發(fā)電量占常規(guī)能源資源量的 40%左右,是世界上水能資源總量最多的國家。水能是無污染的清潔能源,可再生、便于開發(fā)、可以拉動落后地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展;水力發(fā)電成本低廉,運行的可靠性高,故其發(fā)展極為迅速;水力發(fā)電工程的設(shè)計理論、建設(shè)技術(shù)、水輪發(fā)電機組制造技術(shù)和輸電技術(shù)等都趨于完善,單機容量也不斷增大,中國的水力發(fā)電技術(shù)已是世界一流水平;水力發(fā)電是絕對的綠色環(huán)保能源,其水利工程還能調(diào)沙、防洪、防干旱、調(diào)節(jié)航運、利于農(nóng)業(yè)發(fā)展和河道治理,一舉多利,是工程建設(shè)中綜合利用的典范。

水力發(fā)電還可以克服太陽能設(shè)備制造中造成的環(huán)境污染、克服太陽能和風(fēng)能發(fā)電不穩(wěn)定、其功率不能拖動大型機械設(shè)備、不能為大型工程提供充足電力和成本過高的諸多缺點。當(dāng)然,在建設(shè)水力發(fā)電工程中也可能造成對生態(tài)環(huán)境的一定影響,但這些問題在目前的技術(shù)經(jīng)濟條件下是完全可以克服和解決的。

太陽能和風(fēng)能是窮人的奢侈品。在水能和太陽能及風(fēng)能的發(fā)展選擇上,發(fā)達國家是盡可能選擇太陽能及風(fēng)能,而發(fā)展中國家則是優(yōu)先選擇水能。

2004年 10月 29日,聯(lián)合國水電與可持續(xù)發(fā)展國際會議在北京通過了《水電與可持續(xù)發(fā)展北京宣言》,指明了水電建設(shè)必須走可持續(xù)發(fā)展之路,可持續(xù)發(fā)展之路也就是水電建設(shè)的未來之路。

在中國要持續(xù)、穩(wěn)定、低碳和經(jīng)濟的發(fā)展,基于水能占常規(guī)能源資源量的 40%左右這樣一個事實,走中國自己的能源發(fā)展之路,提升加大水能的開發(fā)和利用,提高水能在一次能源消費中達到25%以上的比重,應(yīng)該是一個極好的選擇。

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