The purpose of this study is to investigate the relationship of fine dust PM10 and heavy metals in PM10 in Asian dust flowing into Gwangju from 2013 to 2018. The migration pathways of Asian dust was analyzed by backward trajectory analysis using HYSPLIT (Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated ...
The purpose of this study is to investigate the relationship of fine dust PM10 and heavy metals in PM10 in Asian dust flowing into Gwangju from 2013 to 2018. The migration pathways of Asian dust was analyzed by backward trajectory analysis using HYSPLIT (Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory) model, and the change of heavy metal concentration and heavy metal content per 1 ㎍/㎥ of fine dust PM10 in Gwangju area were analyzed. Also, the characteristics of the heavy metals were analyzed using the correlation between the heavy metals in PM10. As a result of analyzing Asian dust entering the Gwangju region for 6 years, the average concentration of PM10 measured in Asian dust was 148 ㎍/㎥, which was about 4.5 times higher than in non-Asian dust, 33 ㎍/㎥. A total of 13 Asian dust flowed into the Gwangju during 6 years, and high concentration of PM10 and heavy metals in that were analyzed in the C path flowing through the Gobi/Loess Plateau-Korean Peninsula. As a result of the correlation analysis, in case of Asian dust, there was a high correlation between soil components in heavy metals, so Asian dust seems to have a large external inflow. On the other hand, in case of non-Asian dust, the correlation between find dust PM10 and artificial heavy metal components was high, indicating that the influence of industrial activities in Gwangju area was high.
The purpose of this study is to investigate the relationship of fine dust PM10 and heavy metals in PM10 in Asian dust flowing into Gwangju from 2013 to 2018. The migration pathways of Asian dust was analyzed by backward trajectory analysis using HYSPLIT (Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory) model, and the change of heavy metal concentration and heavy metal content per 1 ㎍/㎥ of fine dust PM10 in Gwangju area were analyzed. Also, the characteristics of the heavy metals were analyzed using the correlation between the heavy metals in PM10. As a result of analyzing Asian dust entering the Gwangju region for 6 years, the average concentration of PM10 measured in Asian dust was 148 ㎍/㎥, which was about 4.5 times higher than in non-Asian dust, 33 ㎍/㎥. A total of 13 Asian dust flowed into the Gwangju during 6 years, and high concentration of PM10 and heavy metals in that were analyzed in the C path flowing through the Gobi/Loess Plateau-Korean Peninsula. As a result of the correlation analysis, in case of Asian dust, there was a high correlation between soil components in heavy metals, so Asian dust seems to have a large external inflow. On the other hand, in case of non-Asian dust, the correlation between find dust PM10 and artificial heavy metal components was high, indicating that the influence of industrial activities in Gwangju area was high.
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문제 정의
본 연구는 2013 ~ 2018년 광주지역에 유입된 황사에 대하여 미세먼지와 미세먼지 내 중금속 성분에 대한 영향을 파악하였다. 또한 HYSPLIT을 이용한 역궤적 분석을 통해 황사의 이동경로를 분석하였으며, 경로에 대한 광주지역에서의 중금속 농도 변화와 미세먼지 1 µg/m3 당 중금속 함유량에 대하여 영향을 파악하였다.
본 연구는 6년간 광주지역에서 황사 유입시 특성에 대한 연구를 수행하였다. 황사는 비정기적으로 발생하고 있으나, 향후에도 지속적인 시료채취 및 연구 자료를 확보하여, 황사시 대책 마련에 기여하고자 한다.
또한 황사/비황사시 중금속 간 상관성을 분석하여 중금속 성분 간 특성을 분석하였다. 이러한 연구결과를 토대로 향후 광주지역의 대기오염물질저감 대책 수립 시 기초자료로 활용하고자 한다.
본 연구는 6년간 광주지역에서 황사 유입시 특성에 대한 연구를 수행하였다. 황사는 비정기적으로 발생하고 있으나, 향후에도 지속적인 시료채취 및 연구 자료를 확보하여, 황사시 대책 마련에 기여하고자 한다. 또한 모래의 주성분인 Si 등 중금속 분석에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 보여진다.
가설 설정
5. Correlation coefficient among PM10 and heavy metal in (a) AD and (b) Non-AD.
제안 방법
2013년부터 2018년까지 6년간 광주지역에 발생된 황사시 중금속 농도를 비교 분석하여, 황사 발원지 및 이동경로에 따른 중금속 농도에 대한 변화 특성을 파악하였다.
, 2017). 광주지역에 영향을 미치는 황사의 고도에 대하여 역궤적 분석을 수행하였다.
대기 중 중금속 분석결과에 대하여 정확성, 재현성 등을 확인하기 위하여, 정도관리를 실시하였다. Table 2는 정도검사 결과를 나타내었다.
또한 HYSPLIT을 이용한 역궤적 분석을 통해 황사의 이동경로를 분석하였으며, 경로에 대한 광주지역에서의 중금속 농도 변화와 미세먼지 1 µg/m3 당 중금속 함유량에 대하여 영향을 파악하였다.
또한 HYSPLIT을 이용한 역궤적 분석을 통해 황사의 이동경로를 분석하였으며, 경로에 대한 광주지역에서의 중금속 농도 변화와 미세먼지 1 µg/m3 당 중금속 함유량에 대하여 영향을 파악하였다. 또한 황사/비황사시 중금속 간 상관성을 분석하여 중금속 성분 간 특성을 분석하였다. 이러한 연구결과를 토대로 향후 광주지역의 대기오염물질저감 대책 수립 시 기초자료로 활용하고자 한다.
미세먼지(PM10) 농도가 300 µg/m3 이상 시 기류 이동경로 확인, 황사 발원지 발생확인으로 황사 여부를 판정하고, 300 µg/m3 미만일 때 하늘상태, 시정 혼탁 등 목측 확인 및 기류 이동경로 확인과 황사발원지 발생확인을 거쳐 판정한다.
본 연구에서는 분석된 중금속 농도를 산출하여, 평균, 표준편차, 최소값, 최대값 등의 기술통계량으로 산출하였으며, 각 성분별 농도를 산출하여 변화추이를 분석하였다. 또한 각 성분별 관계를 분석하기 위하여 통계프로그램(SPSS, ver.
0 m3 /h 1일 동안 시료채취를 하였으며, 여지는 Quartz Microfibre Filter(QFH150, ALBET, Germany)이다. 시료채취용 여지는 사용 전 후 48시간 이상 데시게이터로 항량하였으며, 전자저울 (AUW220D, Simadzu, Japan)을 통한 무게를 측정하였고, 유량보정을 통한 황사시 PM10 농도를 산출하였다.
23 M 염산의 혼합액(1:1) 30 mL를 가하여 90 ~ 100℃로 2시간 동안 초음파로 추출 후 여과지(5A)를 이용하여 여과하여, 최종 액량을 100 mL로 만들었다. 전처리된 시료의 중금속 분석은 ICP(OPTIMA 4300, PerkinElmer, USA)를 이용하였고, Pb, Cd, Cr, Cu, Mn, Fe, Ni, As, Be, Al, Ca, Mg의 12가지 항목을 분석하였다.
조사기간 동안 광주지역에 총 13회의 황사가 발생하였고, 이에 대한 유입 경로를 분석하였다. 정확한 유입경로 분석을 위해 광주지역에서 관측된 PM10 농도가 가장 높았던 시간을 기준으로 역궤적 분석을 실시하였다.
조사기간 동안 광주지역에 총 13회의 황사가 발생하였고, 이에 대한 유입 경로를 분석하였다. 정확한 유입경로 분석을 위해 광주지역에서 관측된 PM10 농도가 가장 높았던 시간을 기준으로 역궤적 분석을 실시하였다.
중금속 분석을 위한 전처리 방법으로 PM10 시료 채취 후 필터의 1/4 부분을 잘라 실험에 이용하였으며, 1.03 M 질산, 2.23 M 염산의 혼합액(1:1) 30 mL를 가하여 90 ~ 100℃로 2시간 동안 초음파로 추출 후 여과지(5A)를 이용하여 여과하여, 최종 액량을 100 mL로 만들었다. 전처리된 시료의 중금속 분석은 ICP(OPTIMA 4300, PerkinElmer, USA)를 이용하였고, Pb, Cd, Cr, Cu, Mn, Fe, Ni, As, Be, Al, Ca, Mg의 12가지 항목을 분석하였다.
황사/비황사시 중금속 간 특성을 파악하기 위하여 상관성 분석을 진행하였다. 상관계수의 범위는 –1 ~ +1 까지 이며, 절대값이 1에 가까울수록 두 변수간의 상관성이 높다는 것을 의미한다(Park and Cho, 2009).
황사시 유입된 PM10의 이동경로를 파악하기 위하여 역궤적분석을 수행하였다. 역궤적 분석을 하기 위해 미국 해양대기청 NOAA/ARL (National Oceanic and Atmospheric Administration/Air Research Lab)에서 개발된 HYSPLIT (Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory) 모델을 이용하였다.
황사의 발생은 기상청 날씨누리와 환경부 에어코리아 예보를 통하여 확인하였다. 시료채취는 황사가 발원하여 광주지역 도시대기측정망 1시간 평균 미세먼지 농도가 200 µg/m3 이상 측정시부터 시료채취를 시작하여 황사 종료시까지 시료채취 하였다.
대상 데이터
역궤적 분석을 하기 위해 미국 해양대기청 NOAA/ARL (National Oceanic and Atmospheric Administration/Air Research Lab)에서 개발된 HYSPLIT (Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory) 모델을 이용하였다. HYSPLIT 모델은 수행하기 위하여 기상자료가 요구되며, 필요한 기상자료는 NOAA/ARL에서 제공하는 GDAS (Global Data Assimilation System)으로부터 수집하였다(Song et al., 2017). 광주지역에 영향을 미치는 황사의 고도에 대하여 역궤적 분석을 수행하였다.
광주지역의 황사는 주로 3 ~ 5월에 발생하였으며, 봄철에 황사 발생비율이 높은 원인으로 발원지의 낮은 상대습도와 강한 풍속으로 인해 발원된다(Kim and Lee,2010). Table 3은 황사시 시료채취 조건과 측정농도를 나타내었으며, 황사 기간 중 시료는 2013년 1일(1회), 2014년 2일(2회), 2015년 3일(3회), 2016년에 4일(3회), 2017년 4일(2회), 2018년 3일(2회) 총 17일(13회)을 채취하였다.
광주지역 2개 지점에서 시료채취를 진행하였으며, 시료 채취는 18 ~ 72시간 진행하였다. 연구기간인 2013년 부터 2018년까지 황사시 일평균 농도는 고용량 공기 시료채취 장치에 의해 채취된 농도를 나타내고 있으며, PM10의 평균농도는 148 µg/m3 으로, 비황사시 PM10의 평균 농도인 33 µg/m3 보다 약 5배에 달했다.
본 연구는 지난 2013 ~ 2018년까지 6년간 황사가 발생되었을 때 시료를 채취하여 분석하였다. 시료채취 및 분석조건은 Table 1과 같다.
시료채취는 황사가 발원하여 광주지역 도시대기측정망 1시간 평균 미세먼지 농도가 200 µg/m3 이상 측정시부터 시료채취를 시작하여 황사 종료시까지 시료채취 하였다. 비황사시는 2013~2018년 매월 둘째 주부터 24시간씩 5일 동안 시료 채취하여 분석하는 대기중금속측정망 측정 자료를 활용하였다.
Table 1은 연구에 사용된 장비 및 분석방법을 나타내었다. 시료채취는 유량은 68.0 m3 /h 1일 동안 시료채취를 하였으며, 여지는 Quartz Microfibre Filter(QFH150, ALBET, Germany)이다. 시료채취용 여지는 사용 전 후 48시간 이상 데시게이터로 항량하였으며, 전자저울 (AUW220D, Simadzu, Japan)을 통한 무게를 측정하였고, 유량보정을 통한 황사시 PM10 농도를 산출하였다.
시료채취는 황사가 발원하여 광주지역 도시대기측정망 1시간 평균 미세먼지 농도가 200 µg/m3 이상 측정시부터 시료채취를 시작하여 황사 종료시까지 시료채취 하였다.
황사시 PM10농도에 대한 시간대 별 정확한 영향을 파악하기 위하여 광주지역 도시대기측정망(건국동, 농성 동)의 실시간 자동측정(B-ray) 자료를 이용하였다. 광주 지역에 유입된 시간평균 고농도 황사는 2016년 5월(550 µg/m3 ), 2015년 2월(529 µg/m3 ), 2014년 3월(401 µg/m3 )순으로 시간평균 농도가 400 µg/m3 이상으로 측정되었다.
1과 같다. 황사시 시료 채취지점은 광주지역 내 2개 지점을 대상으로 건국동(G), 농성동(N)에서 시료 채취를 진행하였다.
데이터처리
본 연구에서는 분석된 중금속 농도를 산출하여, 평균, 표준편차, 최소값, 최대값 등의 기술통계량으로 산출하였으며, 각 성분별 농도를 산출하여 변화추이를 분석하였다. 또한 각 성분별 관계를 분석하기 위하여 통계프로그램(SPSS, ver.20.0)을 사용하여, 상관분석을 실시하였다.
이론/모형
Table 2는 정도검사 결과를 나타내었다. 대기오염공정시험기준(ES 01700.2)에 따라 정밀도(Precision), 정확도(Accuracy), 방법검출한계(MDL, Method Detection Limit), 정량한계(MQL, Minimum Quantitation Limit)에 대하여 조사를 하였으며, 분석과 동일 조건에서의 진행되었다. 대기 중 중금속 항목에 대하여 정밀도는 0.
시간당 미세먼지(PM10) 질량농도 측정은 자동 미세먼지 분석장비(BAM-1020, MetOne Instrument, USA)를 사용하였다. 대기 중 부유입자들은 일정시간 동안 연속적으로 필터에 채취하여 포집된 미세먼지 입자에 베타선을 투과였을 때 흡수되는 세기를 측정하여 입자의 질량농도를 측정하는 방법이다.
의 이동경로를 파악하기 위하여 역궤적분석을 수행하였다. 역궤적 분석을 하기 위해 미국 해양대기청 NOAA/ARL (National Oceanic and Atmospheric Administration/Air Research Lab)에서 개발된 HYSPLIT (Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory) 모델을 이용하였다. HYSPLIT 모델은 수행하기 위하여 기상자료가 요구되며, 필요한 기상자료는 NOAA/ARL에서 제공하는 GDAS (Global Data Assimilation System)으로부터 수집하였다(Song et al.
이에 국내에서는 황사입자의 수송경로를 파악하기 위해 HYSPLIT 모델을 이용하여 강릉시와 경산지역에 유입되는 황사경로에 대해서 연구하였으며(Choi and Lee, 2012), PSCF (Potential Source Contribution Function) 모델을 이용하여 잠재적 오염원 위치를 파악하였다. Ha et al.
시료채취 및 분석조건은 Table 1과 같다. 황사시 PM10은 고용량 공기 시료채취장비(MCZ GmbH, Umwelttechnik, Germany) 를 이용하여 채취하였으며, 채취된 시료 중 중금속 분석은 EPA METHOD IO-3와 대기오염공정시험기준(ES 01700.2)를 참고하였다(EPA, 1999).
성능/효과
1) 6년간 유입된 광주지역 황사를 분석한 결과 대부분 3~5월에서 발생하였으나, 2018년의 경우에는 11월에도 발생하였다. 황사시 유입된 PM10의 평균 농도는 148 µg/m3 이였으며, 비황사시 33 µg/m3 로 약 4.
2) 6년간 광주지역에 유입된 황사는 총 13회로 고비/ 내몽골-발해만을 거쳐서 광주지역에 유입되는 A경로는 7회, 고비/내몽골-만주-요동반도-한반도 B경로는 3회, 고비/황토고원-한반도를 거쳐 유입되는 C경로 3회로 나타났다. PM10과 중금속 모두 C경로, A경로, B경로 순으로 높게 나타났으며, 발원지에서 멀리 떨어진 곳에서 발생된 황사가 다른 황사들에 비해 상대적으로 높은 농도가 나타났다.
3) 발생원별 대기 중 중금속/PM10의 함유량를 비교하였을 때는 황사시는 비황사시에 비해 고농도 PM10의 희석효과로 함유량이 낮아졌으며, 경로별로 C경로, B경로, A 경로 순으로 나타났다.
4) 황사시 중금속은 토양성분 간 상관성이 높게 나타나 외부 유입이 큰 것으로 보여지며, 비황사시에는 PM10 과 인위적인 오염원간의 상관성이 높게 나타나 광주지역 인근에서의 공업과 연관성이 있을 것으로 보여진다.
2) 6년간 광주지역에 유입된 황사는 총 13회로 고비/ 내몽골-발해만을 거쳐서 광주지역에 유입되는 A경로는 7회, 고비/내몽골-만주-요동반도-한반도 B경로는 3회, 고비/황토고원-한반도를 거쳐 유입되는 C경로 3회로 나타났다. PM10과 중금속 모두 C경로, A경로, B경로 순으로 높게 나타났으며, 발원지에서 멀리 떨어진 곳에서 발생된 황사가 다른 황사들에 비해 상대적으로 높은 농도가 나타났다.
광주지역 황사시 도시대기측정망(건국동, 농성동)의 시간자료를 기준과 비교한 결과 C경로는 175 µg/m3 , A경로 157 µg/m3 , B경로 149 µg/m3 순으로 나타났으며, 비황사시 6년 평균으로 41 µg/m3 로 나타났다.
2)에 따라 정밀도(Precision), 정확도(Accuracy), 방법검출한계(MDL, Method Detection Limit), 정량한계(MQL, Minimum Quantitation Limit)에 대하여 조사를 하였으며, 분석과 동일 조건에서의 진행되었다. 대기 중 중금속 항목에 대하여 정밀도는 0.6 ~ 3.7%, 정확도는 98.1 ~ 121.4%로 나타났으며, 방법검출한계는 0.000 ~ 0.005 mg/L, 정량한계 0.000 ~ 0.017 mg/L로 모든 항목에서 기준 이내를 나타내었다.
또한 중금속과 PM10과의 상관성을 분석했을 때도 역시 토양성분들과 높은 상관관계를 나타내고 있어, 유입된 PM10은 사막에서 발생하는 것으로 보여지며, 각 물질과 상관계수는 PM10-Mn 0.826(p<0.01), PM10-Mg 0.712(p<0.01), PM10-Fe 0.673(p<0.01), PM10-Al 0.670(p<0.01) 순으로 나타났다.
5배 높게 측정되었다. 또한 황사 유입시 광주지역의 대기 중 중금속 농도 중 토양성분인 Mn, Fe, Al, Ca, Mg가 각각 7.8배, 9.3배, 18.6배, 9.3배, 11.9배 증가하였으며, 인위적인 오염으로 Pb, Cd, Cr, Cu, Ni, As는 2.7배, 1.5배, 4.2배, 2.3배, 3.7배, 1.6배로 증가하였다.
916 µg/m3 로 유사하게 나타났으며, 황사 발생시에 토양성분들이 크게 증가됨을 알 수 있었다. 또한 황사와 비황사시 중금속 농도를 비교한 결과 인위적인 오염원에서 발생하는 성분들 (Pb, Cu, Cr 등)은 황사나 비황사시에는 차이가 크지 않았지만 토양성분(Fe, Al, Ca, Mg) 등은 황사 발생시 상대적으로 차이가 크게 나타남을 보여 본 연구와 유사함을 보였다. 하지만 Choi et al.
연구기간인 2013년 부터 2018년까지 황사시 일평균 농도는 고용량 공기 시료채취 장치에 의해 채취된 농도를 나타내고 있으며, PM10의 평균농도는 148 µg/m3 으로, 비황사시 PM10의 평균 농도인 33 µg/m3 보다 약 5배에 달했다.
인위적인 오염원 전 항목에서 증가되었으며, Cd의 경우에는 특정 황사시에만 크게 증가하는 경향을 나타내었다. 이를 통해서 황사 발생시 발원지의 토양성분과 더불어 인위적인 오염물질까지 포함되어 황사가 광주지역으로 유입되었음을 알 수 있었다.
6배로 증가하였다. 인위적인 오염원 전 항목에서 증가되었으며, Cd의 경우에는 특정 황사시에만 크게 증가하는 경향을 나타내었다. 이를 통해서 황사 발생시 발원지의 토양성분과 더불어 인위적인 오염물질까지 포함되어 황사가 광주지역으로 유입되었음을 알 수 있었다.
46‰로 나타났다. 황사시가 비황사시 보다 크게 증가 하였으며, B경로, C경로, A경로 순으로 토양성분의 함유량이 높게 나타났다. B경로의 경우 상대적으로 넓은 사막지역을 거치지 않아 모래의 성분이 상대적으로 적게 포함되어 토양성분의 순도가 높게 나타난 것으로 추정된다(Park et al.
황사시에는 1 µg/m3 당 인위적인 오염원이 0.38‰, 토양성분 64.47‰로 비황사시에 비해 인위적인 오염원은 낮게 나타났고, 토양성분은 증가함을 알 수 있었다.
후속연구
황사는 비정기적으로 발생하고 있으나, 향후에도 지속적인 시료채취 및 연구 자료를 확보하여, 황사시 대책 마련에 기여하고자 한다. 또한 모래의 주성분인 Si 등 중금속 분석에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 보여진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
2013년부터 2018년까지 6년간 광주지역에 발생된 황사시 중금속 농도를 비교 분석하여, 황사 발원지 및 이동경로에 따른 중금속 농도에 대한 변화 특성을 파악한 연구의 결론은?
1) 6년간 유입된 광주지역 황사를 분석한 결과 대부분 3~5월에서 발생하였으나, 2018년의 경우에는 11월에도 발생하였다. 황사시 유입된 PM10의 평균 농도는 148 µg/m3 이였으며, 비황사시 33 µg/m3 로 약 4.5배 높게 측정되었다. 또한 황사 유입시 광주지역의 대기 중 중금속 농도 중 토양성분인 Mn, Fe, Al, Ca, Mg가 각각 7.8배, 9.3배, 18.6배, 9.3배, 11.9배 증가하였으며, 인위적인 오염으로 Pb, Cd, Cr, Cu, Ni, As는 2.7배, 1.5배, 4.2배, 2.3배, 3.7배, 1.6배로 증가하였다.
2) 6년간 광주지역에 유입된 황사는 총 13회로 고비/ 내몽골-발해만을 거쳐서 광주지역에 유입되는 A경로는 7회, 고비/내몽골-만주-요동반도-한반도 B경로는 3회, 고비/황토고원-한반도를 거쳐 유입되는 C경로 3회로 나타났다. PM10과 중금속 모두 C경로, A경로, B경로 순으로 높게 나타났으며, 발원지에서 멀리 떨어진 곳에서 발생된 황사가 다른 황사들에 비해 상대적으로 높은 농도가 나타났다.
3) 발생원별 대기 중 중금속/PM10의 함유량를 비교하였을 때는 황사시는 비황사시에 비해 고농도 PM10의 희석효과로 함유량이 낮아졌으며, 경로별로 C경로, B경로, A 경로 순으로 나타났다.
4) 황사시 중금속은 토양성분 간 상관성이 높게 나타나 외부 유입이 큰 것으로 보여지며, 비황사시에는 PM10 과 인위적인 오염원간의 상관성이 높게 나타나 광주지역 인근에서의 공업과 연관성이 있을 것으로 보여진다.
중국 에서 발원한 황사가 중금속 등의 오염물질을 포함하는 이유는?
일반적으로 황사는 발원지 주변에 인위적인 오염물질이 거의 없기 때문에 토양(광물) 성분들이 대부분이며, 유해 중금속 성분이 거의 존재하지 않는다. 하지만 중국 에서 발원한 황사가 편서풍의 이동경로에 따라 대도시 또는 공업지역을 경유하면서 토양 성분과 다른 Pb, Cu, Cr, Cd, Ni 등 오염물질을 포함하는 경우가 증가하고 있다(Seo et al., 2015; Kang et al.
동아시아 지역의 황사는 어떤 특징이 있는가?
동아시아 지역의 황사는 중국의 사막지역, 황토고원, 내몽골 고원 등에서 발생한 흙먼지나 모래가 바람을 타고 이동하면서 천천히 떨어지며, 발원지에서 30% 가량은 재 침적되고, 20%는 주변지역, 50%는 장거리 이동한다(Choi et al., 2003; Ghim 2011).
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