Umweltwissenschaften

Die Umweltwissenschaft ist ein akademisches Fachgebiet , das physikalische, biologische und mathematische Wissenschaften integriert, um die Umwelt zu erforschen und Umweltprobleme zu lösen. Sie verwendet einen integrierten, quantitativen und interdisziplinären Ansatz zur Analyse von Umweltsystemen ^{[ 1 ]} und entstand während der Aufklärung aus den Bereichen Naturgeschichte und Medizin ^{[ 2 ]} . Sie gilt als interdisziplinär, da sie verschiedene Disziplinen wie Biologie, Chemie, Physik, Geologie, Ingenieurwesen, Soziologie und Ökologie integriert.

Die Umweltwissenschaft entwickelte sich in den 1960er und 1970er Jahren zu einem eigenständigen und aktiven Forschungsfeld. Treiber dieser Entwicklung waren der Bedarf an einem interdisziplinären Ansatz zur Analyse komplexer Umweltprobleme, das Inkrafttreten wichtiger Umweltgesetze mit spezifischen Untersuchungsprotokollen sowie das wachsende öffentliche Bewusstsein für die Notwendigkeit von Maßnahmen gegen Umweltprobleme. Zu den Ereignissen, die diese Entwicklung beschleunigten, zählten die Veröffentlichung von Rachel Carsons bahnbrechendem Umweltbuch „ Der stumme Frühling “ ^{[ 3 ]} sowie die öffentliche Bekanntmachung bedeutender Umweltkatastrophen wie der Ölpest von Santa Barbara 1969 und des Brandes des Cuyahoga River in Cleveland, Ohio, ebenfalls im Jahr 1969.

Im allgemeinen Sprachgebrauch werden die Begriffe „Umweltwissenschaft“ und „Ökologie“ oft synonym verwendet, doch streng genommen bezeichnet Ökologie ausschließlich die Untersuchung von Organismen und ihren Wechselwirkungen untereinander sowie mit ihrer Umwelt. Ökologie kann als Teilgebiet der Umweltwissenschaft betrachtet werden, die beispielsweise auch rein chemische oder gesundheitspolitische Fragestellungen umfasst, mit denen sich Ökologen üblicherweise nicht befassen. In der Praxis bestehen jedoch erhebliche Ähnlichkeiten zwischen der Arbeit von Ökologen und anderen Umweltwissenschaftlern. Es gibt zudem beträchtliche Überschneidungen zwischen Ökologie und Umweltwissenschaft mit Disziplinen wie Fischerei, Forstwirtschaft und Wildtiermanagement.

Umweltstudien integrieren verstärkt sozialwissenschaftliche Erkenntnisse, um menschliche Beziehungen, Wahrnehmungen und politische Maßnahmen im Umgang mit der Umwelt zu verstehen. Umwelttechnik konzentriert sich auf Design und Technologie zur Verbesserung der Umweltqualität in allen Aspekten.

Das historische Interesse an Umweltfragen ist in Archiven weltweit gut dokumentiert. ^{[ 4 ]} Antike Zivilisationen befassten sich hauptsächlich mit dem, was heute als Umweltwissenschaft bekannt ist, soweit es mit Landwirtschaft und natürlichen Ressourcen zusammenhing. Wissenschaftler gehen davon aus, dass das frühe Interesse an der Umwelt um 6000 v. Chr. begann, als antike Zivilisationen in Palästina und Jordanien aufgrund von Abholzung untergingen . ^{[ 5 ]} Infolgedessen wurde 2700 v. Chr. in Mesopotamien das erste Gesetz zur Begrenzung der Abholzung erlassen . ^{[ 5 ]} Zweihundert Jahre später, um 2500 v. Chr., beobachtete eine Gemeinschaft im Industal das nahegelegene Flusssystem, um die Hygiene zu verbessern. ^{[ 5 ]} Dies beinhaltete die Regulierung des Wasserflusses zum Schutz der öffentlichen Gesundheit. In der westlichen Hemisphäre gingen um 1500 v. Chr. zahlreiche antike mittelamerikanische Stadtstaaten aufgrund von Bodenerosion durch intensive Landwirtschaft unter. ^{[ 5 ]} Die Überlebenden dieser Zivilisationen legten größeren Wert auf die Auswirkungen der Anbaumethoden auf die Nachhaltigkeit des Bodens und seine stabile Nahrungsmittelproduktion. Darüber hinaus ging die minoische Kultur auf der griechischen Insel Kreta um 1450 v. Chr. aufgrund von Abholzung und der daraus resultierenden Umweltzerstörung der natürlichen Ressourcen unter. ^{[ 5 ]} Plinius der Ältere ging in seinem zwischen 77 und 79 n. Chr. verfassten Werk „Naturalis Historia“ auf die Umweltprobleme antiker Zivilisationen ein und bot einen Überblick über viele verwandte Teilgebiete der Disziplin. ^{[ 6 ]}

Obwohl Krieg und Krankheiten in der Antike die Hauptsorgen darstellten, spielten Umweltfragen eine entscheidende Rolle für das Überleben und die Macht verschiedener Zivilisationen. Als immer mehr Gemeinschaften die Bedeutung der Natur für ihren langfristigen Erfolg erkannten, entstand das Interesse an der Umweltforschung.

1735 führte Carolus Linnaeus , beeinflusst von früheren Werken Aristoteles' , das Konzept der binären Nomenklatur ein , um alle Lebewesen zu klassifizieren . ^{[ 6 ]} Sein Werk „ Systema Naturae “ stellt einen der frühesten Höhepunkte des Wissens auf diesem Gebiet dar und bietet eine Möglichkeit, verschiedene Arten unter anderem anhand ihrer Wechselwirkungen mit der Umwelt zu identifizieren.

In den 1820er Jahren untersuchten Wissenschaftler die Eigenschaften von Gasen, insbesondere jene in der Erdatmosphäre und deren Wechselwirkung mit der Sonnenwärme. ^{[ 7 ]} Später im selben Jahrhundert legten Studien nahe, dass die Erde eine Eiszeit erlebt hatte und die Erwärmung der Erde teilweise auf die heute als Treibhausgase (THG) bekannten Stoffe zurückzuführen war. ^{[ 7 ]} Der Treibhauseffekt wurde eingeführt, obwohl die Klimaforschung aufgrund der geringen Industrialisierung und der damals niedrigeren Treibhausgasemissionen noch nicht als wichtiges Thema der Umweltwissenschaften anerkannt war.

Im 20. Jahrhundert begann sich die heutige Disziplin der Umweltwissenschaft herauszubilden. Das Jahrhundert ist geprägt von bedeutender Forschung, umfangreicher Literatur und internationaler Zusammenarbeit auf diesem Gebiet.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden die Auswirkungen der globalen Erwärmung von Kritikern heruntergespielt . ^{[ 7 ]} Damals befassten sich nur wenige Forscher mit den Gefahren fossiler Brennstoffe . Nachdem in den 1940er Jahren jedoch eine Temperaturabweichung von 1,3 Grad Celsius im Atlantik festgestellt wurde, nahmen Wissenschaftler ihre Studien zur Wärmespeicherung durch den Treibhauseffekt wieder auf (obwohl damals nur Kohlendioxid und Wasserdampf als Treibhausgase bekannt waren). ^{[ 7 ]} Die Entwicklung der Kernenergie nach dem Zweiten Weltkrieg ermöglichte es Umweltwissenschaftlern, die Auswirkungen von Kohlenstoff intensiv zu untersuchen und Fortschritte auf diesem Gebiet zu erzielen. ^{[ 7 ]} Weitere Erkenntnisse aus archäologischen Funden, insbesondere aus Eisbohrkernen, verdeutlichten die Veränderungen des Klimas im Laufe der Zeit . ^{[ 7 ]}

Die Umweltwissenschaften rückten 1962 in den Mittelpunkt des gesellschaftlichen Interesses, als Rachel Carson mit „ Der stumme Frühling“ ein einflussreiches Werk veröffentlichte . ^{[ 8 ]} Carsons Buch veranlasste die amerikanische Öffentlichkeit, Umweltschutzmaßnahmen zu fordern, wie beispielsweise Verbote schädlicher Chemikalien wie des Insektizids DDT . ^{[ 8 ]} Ein weiteres wichtiges Werk, „Die Tragödie der Allmende “, erschien 1968 von Garrett Hardin als Reaktion auf die zunehmende Umweltzerstörung. ^{[ 6 ]} 1969 erlangten die Umweltwissenschaften nach zwei verheerenden Katastrophen erneut große Bedeutung: Der Cuyahoga River in Ohio geriet aufgrund der starken Verschmutzung in Brand, und eine Ölpest vor Santa Barbara gefährdete Tausende von Meerestieren. Beide Ereignisse erhielten breite mediale Aufmerksamkeit. ^{[ 8 ]} Infolgedessen verabschiedeten die Vereinigten Staaten zahlreiche Gesetze, darunter den Clean Water Act und das Great Lakes Water Quality Agreement . ^{[ 8 ]} Im darauffolgenden Jahr, 1970, wurde weltweit der erste Tag der Erde begangen und die US-amerikanische Umweltschutzbehörde (EPA) gegründet, wodurch die Umweltwissenschaften in der Regierungspolitik verankert wurden. ^{[ 8 ]} In den nächsten zwei Jahren gründeten die Vereinten Nationen das Umweltprogramm der Vereinten Nationen (UNEP) in Stockholm, Schweden, um die globale Umweltzerstörung zu bekämpfen . ^{[ 9 ]}

Das Interesse an Umweltwissenschaften in den 1970er und 1980er Jahren war maßgeblich von großen Katastrophen und sozialen Bewegungen geprägt. 1978 wurden Hunderte von Menschen aus Love Canal , New York, umgesiedelt, nachdem in der Nähe von Wohngebieten krebserregende Schadstoffe im Boden vergraben gefunden worden waren. ^{[ 8 ]} Im darauffolgenden Jahr, 1979, erlitt das Kernkraftwerk Three Mile Island in Pennsylvania eine Kernschmelze, die Besorgnis über die Gefahren radioaktiver Abfälle und die Sicherheit der Kernenergie auslöste. ^{[ 8 ]} Als Reaktion auf Mülldeponien und Giftmüll, die oft in der Nähe ihrer Häuser entsorgt wurden, gründete eine schwarze Gemeinde in North Carolina 1982 die offizielle Umweltgerechtigkeitsbewegung. ^{[ 8 ]} Zwei Jahre später wurde bei einer Kernkraftwerkskatastrophe in Bhopal , Indien, das giftige Gas Methylisocyanat freigesetzt , wodurch Hunderttausende Menschen in der Nähe des Katastrophengebietes geschädigt wurden. Die Auswirkungen sind bis heute spürbar. ^{[ 8 ]} Eine bahnbrechende Entdeckung gelang 1985 einem britischen Forscherteam in der Antarktis: Es fand Hinweise auf ein Ozonloch . Dies führte zu globalen Abkommen, die die Verwendung von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) verboten, welche zuvor in fast allen Aerosolen und Kältemitteln eingesetzt wurden. ^{[ 7 ]} Bemerkenswerterweise führte die Kernschmelze im Kernkraftwerk Tschernobyl in der Ukraine 1986 zur Freisetzung radioaktiver Abfälle und damit zu internationalen Studien über die Folgen von Umweltkatastrophen. ^{[ 8 ]} In den folgenden Jahren veröffentlichte die Brundtland-Kommission (ehemals Weltkommission für Umwelt und Entwicklung) den Bericht „ Unsere gemeinsame Zukunft“ . UNEP und WMO gründeten 1988 den Zwischenstaatlichen Ausschuss für Klimaänderungen (IPCC) , um die internationale Kommunikation auf die Suche nach Lösungen für Klimawandel und Umweltzerstörung zu konzentrieren. ^{[ 9 ]} Ende der 1980er Jahre wurde der Exxon- Konzern wegen der Verschmutzung vor der Küste Alaskas durch große Mengen Rohöl und der anschließenden Aufräumarbeiten, an denen Umweltwissenschaftler beteiligt waren, mit einer Geldstrafe belegt. ^{[ 8 ]} After hundreds of oil wells were burned in combat in 1991, warfare between Iraq and Kuwait polluted the surrounding atmosphere just below the air quality threshold environmental scientistUmweltwissenschaftlers believed was life-threatening.^[8]

Many niche disciplines of environmental science have emerged over the years, although climatology is one of the most known topics. Since the 2000s, environmental scientists have focused on modeling the effects of climate change and encouraging global cooperation to minimize potential damages. In 2002, the Society for the Environment as well as the Institute of Air Quality Management were founded to share knowledge and develop solutions around the world.^[9] Later, in 2008, the United Kingdom became the first country to pass legislation (the Climate Change Act) that aims to reduce carbon dioxide output to a specified threshold.^[9] In 2016 the Kyoto Protocol became the Paris Agreement, which sets concrete goals to reduce greenhouse gas emissions and restricts Earth's rise in temperature to a 2-degree Celsius maximum.^[9] The agreement is one of the most expansive international efforts to limit the effects of global warming to date.

Most environmental disasters in this time period involve crude oil pollution or the effects of rising temperatures. In 2010, BP was responsible for the largest American oil spill in the Gulf of Mexico, known as the Deepwater Horizon spill, which killed a number of the company's workers and released large amounts of crude oil into the water.^[8] Furthermore, throughout this century, much of the world has been ravaged by widespread wildfires and water scarcity, prompting regulations on the sustainable use of natural resources as determined by environmental scientists.^[8]

Das 21. Jahrhundert ist von bedeutenden technologischen Fortschritten geprägt. Neue Technologien in den Umweltwissenschaften haben die Art und Weise, wie Forscher Informationen zu verschiedenen Themenbereichen sammeln, grundlegend verändert. Die Forschung an Motoren, Kraftstoffeffizienz und Emissionsreduzierung von Fahrzeugen seit der Industriellen Revolution hat die Menge an Kohlenstoff und anderen Schadstoffen, die in die Atmosphäre gelangen, verringert. ^{[ 10 ]} Darüber hinaus haben die Investitionen in die Forschung und Entwicklung sauberer Energien (z. B. Wind-, Solar-, Wasserkraft und Geothermie) in den letzten Jahren deutlich zugenommen, was den Beginn des Ausstiegs aus der Nutzung fossiler Brennstoffe signalisiert . ^{[ 10 ]} Geographische Informationssysteme (GIS) werden eingesetzt, um mithilfe von Satelliten und digitaler Bildanalyse Luft- und Wasserverschmutzungsquellen zu erfassen. ^{[ 10 ]} Diese Technologie ermöglicht fortschrittliche Anbaumethoden wie die Präzisionslandwirtschaft sowie die Überwachung des Wasserverbrauchs zur Festlegung von Marktpreisen. ^{[ 10 ]} Im Bereich der Wasserqualität tragen entwickelte Stämme natürlicher und künstlicher Bakterien zur Bioremediation bei , der Aufbereitung von Abwasser für die zukünftige Nutzung. ^{[ 10 ]} Diese Methode ist umweltfreundlicher und kostengünstiger als die manuelle Reinigung oder Behandlung von Abwässern. ^{[ 10 ]} Insbesondere die Verbreitung der Computertechnologie hat die Erfassung großer Datenmengen, fortgeschrittene Analysen, historische Archive, die Sensibilisierung der Öffentlichkeit für Umweltfragen und die internationale wissenschaftliche Kommunikation ermöglicht. ^{[ 11 ]} Die Möglichkeit des Crowdsourcings im Internet beispielsweise stellt den Prozess der Kollektivierung von Wissen von Forschern weltweit dar, um den wissenschaftlichen Fortschritt zu fördern. ^{[ 11 ]} Durch Crowdsourcing werden Daten der Öffentlichkeit zur persönlichen Analyse zur Verfügung gestellt und können später, sobald neue Informationen vorliegen, geteilt werden. ^{[ 11 ]} Eine weitere technologische Entwicklung, die Blockchain- Technologie, überwacht und reguliert die globale Fischerei. ^{[ 11 ]} Durch die Verfolgung der Wege von Fischen auf den globalen Märkten können Umweltwissenschaftler beobachten, ob bestimmte Arten bis zum Aussterben überfischt werden. ^{[ 11 ]} Ferner ermöglicht die Fernerkundung die Erfassung von Umweltmerkmalen ohne physische Eingriffe.^{[ 11 ]} Die so gewonnenen digitalen Bilder dienen der Erstellung immer präziserer Modelle von Umweltprozessen,dem Klimawandelund vielem mehr. Fortschritte in der Fernerkundungstechnologie sind besonders hilfreich, umdiffuse Verschmutzungsquellenundden Zustand von Ökosystemenmittels Bildanalyse im gesamtenelektromagnetischen Spektrum. Schließlichdie WärmebildtechnikWildtiermanagementeingesetzt, um Wilderer und andere illegale Wildtierhändler zu fassen und vom Töten gefährdeter Tiere abzuschrecken, was sich als nützlich für Naturschutzbemühungen erweist. ^{[ 11 ]} Künstliche Intelligenzwird außerdem eingesetzt, um die Wanderung von Tierpopulationen vorherzusagen und die Lebensräume von Wildtieren zu schützen. ^{[ 11 ]}

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  Die Umweltwissenschaften sind die akademische Disziplin mit dem größten Anstieg der jährlichen Veröffentlichungszahlen in OpenAlex nach einem Jahrzehnt im Vergleich zu 2015. ^{[ 12 ]} Eine Studie aus dem Jahr 2025 ergab, dass sich die jährliche Anzahl der Veröffentlichungen zu Umweltzerstörung bei 1365 identifizierten Artikeln zwischen 2016 und 2022 verzehnfacht hat. ^{[ 13 ]} Eine ähnliche Studie stellte einen starken Anstieg der Artikel zum CO2-Fußabdruck des Wirtschaftswachstums nach 2017 fest. ^{[ 14 ]}
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  Eine auf BERTopic basierende Analyse von Studien zeigt einen Anstieg der Forschung zu Kipppunkten des Klimawandels ^{[ 15 ].}
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  Zusammenfassung einer maschinellen Lernanalyse der globalen Literatur zum Thema Klimawandel und menschliche Gesundheit ^{[ 16 ]}
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  Die Finanzierung der Klimawandelforschung in den Natur- und Technikwissenschaften im Vergleich zu der in den Sozial- und Geisteswissenschaften laut der Studie „Die Fehlallokation von Klimaforschungsgeldern“ ^{[ 17 ].}

Die Atmosphärenwissenschaften konzentrieren sich auf die Erdatmosphäre und deren Wechselwirkungen mit anderen Systemen. Zu den Atmosphärenwissenschaften gehören Studien in den Bereichen Meteorologie , Treibhausgase , atmosphärische Ausbreitungsmodelle für luftgetragene Schadstoffe ^{[ 18 ] [ 19 ]} , Schallausbreitung im Zusammenhang mit Lärmbelästigung und sogar Lichtverschmutzung .

Am Beispiel der globalen Erwärmung erstellen Physiker Computermodelle der atmosphärischen Zirkulation und der Infrarotstrahlungsübertragung , Chemiker untersuchen die Zusammensetzung der atmosphärischen Chemikalien und ihre Reaktionen, Biologen analysieren den Beitrag von Pflanzen und Tieren zu den Kohlendioxidflüssen , und Spezialisten wie Meteorologen und Ozeanographen erweitern das Verständnis der atmosphärischen Dynamik zusätzlich .

Die Ecological Society of America definiert Ökologie als „die Untersuchung der Beziehungen zwischen Lebewesen, einschließlich des Menschen, und ihrer physischen Umwelt; sie zielt darauf ab, die lebenswichtigen Verbindungen zwischen Pflanzen und Tieren und ihrer Umwelt zu verstehen.“ ^{[ 20 ]} Ökologen untersuchen beispielsweise die Beziehung zwischen einer Organismenpopulation und einer physikalischen Eigenschaft ihrer Umwelt, wie etwa der Konzentration einer Chemikalie, oder sie erforschen die Wechselwirkungen zwischen zwei Populationen verschiedener Organismen im Rahmen von Symbiosen oder Konkurrenzbeziehungen. So kann beispielsweise eine interdisziplinäre Analyse eines Ökosystems, das durch einen oder mehrere Stressfaktoren beeinträchtigt wird, verschiedene verwandte umweltwissenschaftliche Disziplinen einbeziehen. In einem Ästuar, in dem ein geplantes Industrieprojekt bestimmte Arten durch Wasser- und Luftverschmutzung gefährden könnte , würden Biologen die Flora und Fauna beschreiben, Chemiker den Transport von Wasserschadstoffen in das Marschland analysieren , Physiker die Luftschadstoffemissionen berechnen und Geologen zum Verständnis der Marschböden und des Schlicks in der Bucht beitragen.

Die Umweltchemie befasst sich mit chemischen Veränderungen in der Umwelt. Zu ihren Hauptforschungsgebieten zählen Boden- und Wasserverschmutzung. Analysiert werden unter anderem der chemische Abbau in der Umwelt, der Transport von Chemikalien in verschiedenen Phasen (beispielsweise die Verdunstung eines lösungsmittelhaltigen Sees, wodurch das Lösungsmittel als Luftschadstoff freigesetzt wird) und die Auswirkungen von Chemikalien auf Lebewesen .

Betrachten wir beispielsweise den Fall eines undichten Lösungsmitteltanks, dessen Lösungsmittel in den Lebensraum einer bedrohten Amphibienart gelangt ist. Um das Ausmaß der Bodenverunreinigung und den unterirdischen Transport des Lösungsmittels zu ermitteln, würde ein Computermodell eingesetzt. Chemiker würden anschließend die molekulare Bindung des Lösungsmittels an den jeweiligen Bodentyp charakterisieren, und Biologen würden die Auswirkungen auf Bodenarthropoden, Pflanzen und letztlich auch auf Teichbewohner untersuchen, die die Nahrungsgrundlage der bedrohten Amphibien bilden.

Zu den Geowissenschaften gehören Umweltgeologie , Bodenkunde , Vulkanologie und die Entwicklung der Erdkruste. In manchen Klassifikationssystemen zählt man auch die Hydrologie , einschließlich der Ozeanographie , dazu .

Als Beispielstudie zur Bodenerosion würden Bodenkundler den Oberflächenabfluss berechnen. Fluviale Geomorphologen würden bei der Untersuchung des Sedimenttransports im Oberflächenabfluss mitwirken. Physiker würden durch die Bewertung der Veränderungen der Lichtdurchlässigkeit in den aufnehmenden Gewässern einen Beitrag leisten. Biologen würden die Auswirkungen der erhöhten Wassertrübung auf die aquatische Flora und Fauna analysieren.

Tagebau- Kohlebergbau in Garzweiler , Deutschland

In den Vereinigten Staaten legte der National Environmental Policy Act (NEPA) von 1969 Anforderungen für die Analyse von Maßnahmen der Bundesregierung (wie etwa Autobahnbauprojekte und Entscheidungen zur Landnutzung) anhand spezifischer Umweltkriterien fest. ^{[ 21 ]} Zahlreiche Landesgesetze haben diese Vorgaben übernommen und die Prinzipien auf Maßnahmen im lokalen Bereich angewendet. Dies führte zu einer explosionsartigen Zunahme an Dokumentationen und Studien zu den Umweltauswirkungen von Bauvorhaben im Vorfeld ihrer Umsetzung.

Die Besonderheiten der Umweltwissenschaften lassen sich anhand von Beispielen für Umweltverträglichkeitsprüfungen untersuchen , die im Rahmen des NEPA erstellt wurden, wie etwa: Optionen für den Ausbau der Abwasserbehandlungsanlagen mit Einleitung in die San Diego/ Tijuana -Mündung , Erweiterung des internationalen Flughafens von San Francisco , Entwicklung des Nahverkehrssystems der Houston Metro , Erweiterung des Nahverkehrssystems der Metropolregion Boston MBTA und Bau der Interstate 66 durch Arlington, Virginia .

In England und Wales ist die Environment Agency (EA) ^{[ 22 ]} , gegründet 1996, eine öffentliche Einrichtung zum Schutz und zur Verbesserung der Umwelt sowie zur Durchsetzung der auf der Website für Gemeinden und Kommunalverwaltung aufgeführten Vorschriften. ^{[ 23 ]} (ehemals Büro des stellvertretenden Premierministers). Die Agentur wurde gemäß dem Environment Act 1995 als unabhängige Einrichtung gegründet und arbeitet eng mit der britischen Regierung zusammen, um die Vorschriften durchzusetzen. ^{[ 24 ]}

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