DE19907461C1 - Meßeinrichtung zur Untersuchung des Migrationsverhalten von Gasen in Böden - Google Patents

Meßeinrichtung zur Untersuchung des Migrationsverhalten von Gasen in Böden

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zur Untersuchung des Migrationsverhaltens von Gasen in Böden unter Verwendung eines die Bodensäule aufnehmenden insitu-Gas-Migrationssimulators in der Art eines Lysimetergefäßes mit darin eingeführten Sonden. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung, eine Meßeinrichtung zu entwickeln, mit denen eine Simulation der diffusiven und der advektiven Gasmigration im Boden in Abhängigkeit von steuerbaren bzw. meßbaren natürlichen Parametern wie Bodenfeuchte, Gaspermeablität und Porosität des Bodens, Gas-, im speziellen Fall Radon-Konzentrationsgradient, im Falle von Radonuntersuchungen der Emanationskoeffizient der Mineralmatrix bei gegebenem Radium-226-Gehalt, Boden- und Lufttemperatur, Luftdruck, Windgeschwindigkeit, Grad der Bodenversiegelung und Abhängigkeit des Gastiefenprofils von Kontaminationen des Bodens durch NAPLs (non-aqueous-phase liquids) in situ gewährleistet sind, wird dadurch gelöst, daß mit der zu untersuchenden Bodensäule 4 teilweise gefüllte in-situ-Gas-Migrationssimulator 20 in unteren Bereich eine Gas-Generationskammer 13 aufweist, die durch eine spezielle Abtrennung 21, die eine zum Tragen der Bodensäule 4 ausreichende Statik aufweist, die hoch durchlässig für das zu untersuchende Gas ist und die ein Eindringen von Bodenwasser in die darunter liegende und zur Bodensäule 4 abgeteilte Gas-Generationskammer 13 verhindert, und die von außen über eine Luke 12 beschickbar ist, und daß der in-situ-Gas-Migrationssimulator 20 nach ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zur Untersuchung des Migrationsverhaltens von Gasen in Böden.
Allgemein bekannt sind Lysimeter, die aus einem mit Erdboden gefüllten Behälter sowie aus Einrichtungen zur Messung der in und durch die Bodensäule sich bewegenden Medien Wasser und gelöste Stoffe bestehen.
Lysimeter sind Meßanlagen zur Bestimmung des Wasser und Stoffhaushaltes eines Bodenkörpers unter vorgegebenen Bedingungen. Lysimeter liefern kontinuierlich ermittel­ te, durchfluß- und volumenbezogen Mittelwerte von Stoffkonzentrationen.
Um im Lysimeter die natürlichen Bedingungen eines vorgegebenen Standortes zu realisieren, werden die Lysimeter direkt auf dem zu untersuchenden Standort in situ, d. h. unterhalb oder auf gleicher Höhe der Geländeoberkante, installiert.
Zur Ermittlung von Gradienten der Bodenfeuchte bzw. der Saugspannung des Wassers in der Bodensäule oder zur tiefenabhängigen Entnahme von Bodenwasserproben können Sonden in verschiedenen Tiefenhorizonten in dem Lysimeter installiert werden. Somit werden nicht nur die Qualität und Quantität des die Bodensäule von oben nach unten durchströmenden Bodenwassers erfaßt (Input und Output), sondern es werden gleichzeitig die die vertikale Migration des Wassers charakterisierenden Parameter als Funktion der Tiefe bestimmt.
Zur Untersuchung des Gashaushaltes eines Bodens ist das Prinzip des Lysimeters grundsätzlich geeignet. Während beim Bodenwasser jedoch bevorzugt eine Migration von oben nach unten auftritt (Versickerung), sind für das Bodengas in erster Linie diffusive und advektive Bewegungen von unten nach oben von Bedeutung. Der diffusive Anteil wird hierbei durch sich zur Atmosphäre aufbauende Konzentrationsgradienten gesteuert. Der advektive Anteil wird durch Druckunterschiede oder durch thermischen Auftrieb im Bodengas (Konvektion) bestimmt. Während ein Niederschlagsereignis bei der Untersuchung des Bodenwasserhaushalts in Lysimetern durch Beregnung des Lysimeters leicht simuliert werden kann, ist die Modellierung des Aufstiegs von Gasen aus größeren Tiefen nur durch das drucklose Einspeisen der Gase in die Basis der Bodensäule möglich.
Meßeinrichtungen zur Untersuchung des Migrationsver­ haltens in Bodenproben sind aus der DE 196 23 780 C2, DE 39 11 151 A1 und DE 42 13 666 A1 bekannt.
Zur Untersuchung von vertikalen Konzentrationsprofilen in der Bodenluft ist zum Beispiel zur Untersuchung von Radon-Profilen ein Kessel bekannt, der durch W. H. van der Spoel et al. 1997 (Diffuse Transport of Radon in a Homogenous Column of Dry Sand, W. H. van der Spoel et al. 1997, Health Physics 72 (5): 766) beschrieben wird.
Die dort beschriebene Meßeinrichtung wird allerdings nicht den Anforderungen gerecht, die gestellt werden müssen, wenn eine möglichst unverfälschte Simulation der natürlichen Verhältnisse das Ziel der Untersuchung ist. Die beschriebene Meßeinrichtung hat verschiedene, im folgenden aufgeführte Nachteile:
  • 1. Das Wasserschloß hält mit ca. einem Meter Wassersäule nur Druckunterschieden von 100 mBar stand. Zur Simulation von Tiefdruckgebieten werden aber Druckdifferenzen bis 200 mBar erforderlich. Zudem löst sich im Wasser des Wasserschlosses Radon aus dem Luftvolumen im Kessel, das somit dem Luftvolumen im Kessel entzogen wird und so den Meßwert beeinflußt. Die beschriebene Meßeinrichtung stellt somit bezüglich Radon und auch anderer leicht wasserlöslicher Gase kein geschlossenes System dar.
  • 2. Ein Edelstahlbehälter ist sehr teuer, sehr schwer, nicht wärmeisolierend und gegen aggressive Bodenwässer nicht völlig inert.
  • 3. Die beschriebene Meßeinrichtung bietet nicht die Möglichkeit einer flächigen, drucklosen Einspeisung von Gas, beispielsweise Radon, in die Sohle der Bodensäule. Diese Option ist aber zur Untersuchung der Migration von Gasen aus größeren Tiefen zur Oberfläche essentiell. Die beschriebene Meßeinrichtung besitzt lediglich eine 3 cm hohe zylindrische Box, über die Gase in die Sohle der Bodensäule eingepreßt werden können.
  • 4. Die beschriebene Meßeinrichtung ermöglicht keine Aufzeichnung der Gas-, und im speziellen Fall der Radonkonzentration als Zeitreihe. Das ist aber notwendig, um Aussagen über den Einfluß von sich kurzzeitig ändernden natürlichen Größen (Luftdruck, Temperatur, Bodenwassergehalt, Windgeschwindigkeit) auf das Gaskonzentrationsprofil im Boden zu machen.
  • 5. Die beschriebene Meßeinrichtung erlaubt keine Aufzeichnung der Bodenfeuchte und der Bodentemperatur als Funktion der Tiefe.
  • 6. Die beschriebene Meßeinrichtung erlaubt keine ge­ zielte, homogene Kontamination des Bodens durch nicht­ wässrige Flüssigphasen, die gegebenenfalls Einfluß auf das Gaskonzentrationsprofil im Boden haben, an der Sohle der Bodensäule.
  • 7. Die beschriebene Meßeinrichtung steht frei in einem Labor und ist somit über ihre gesamte Oberfläche den Schwankungen der Raumtemperatur ausgesetzt. Zudem können durch diese Meßanordnung keine in-situ-Ver­ hältnisse simuliert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßein­ richtung zu entwickeln, mit denen die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und mit denen eine Simulation der diffusiven und der advektiven Gasmigration im Boden in Abhängigkeit von steuerbaren bzw. meßbaren natürlichen Parametern wie Bodenfeuchte, Gaspermeabilität und Porosität des Bodens, Gas-, im speziellen Fall Radon-Konzentrationsgradient, im Falle von Radonuntersuchungen der Emanationskoeffizient der Mineralmatrix bei gegebenem Radium-226-Gehalt, Boden- und Lufttemperatur, Luftdruck, Windgeschwindigkeit, Grad der Bodenversiegelung und Abhängigkeit des Gastie­ fenprofils von Kontaminationen des Bodens durch NAPLs (non-aqueous-phase liquids) in situ gewährleistet ist.
Die Zufuhr eines Gases in den luftgefüllten Porenraum des Bodens an der Basis der Bodensäule sollte zur Modellierung eines diffusiven Transports drucklos, d. h. rein diffusiv möglich sein. Da die diffusionsbedingte Flußdichte vom Konzentrationsgradienten des jeweiligen Gases abhängt, sollte des weiteren ein Konzentra­ tionsstau sowohl im oberen Teil der Bodensäule als auch in einem definierten gasdichten Hohlraum über der Bodensäule möglich sein. Zur Modellierung des rein advektiven Transports sollte sowohl ein Druck- als auch ein Temperaturgradient in der Bodensäule erzeugt werden können.
Zur Untersuchung der Beeinflussung der Konzentration von Gasen, insbesondere Radon, in der Bodenluft durch nichtwässrige Flüssigphasen (NAPL) durch Lösung der Gase in den NAPLs, sollte eine quantitative Kontami­ nation der Bodensäule in vorgegebener Tiefe in der Einrichtung möglich sein.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Nach der Erfindung wird die Meßeinrichtung dadurch gekennzeichnet, daß der mit der zu untersuchenden Bodensäule teilweise gefüllte in­ situ-Gas-Migrationssimulator im unteren Bereich eine durch eine spezielle Abtrennung, die eine zum Tragen der Bodensäule ausreichende Statik aufweist, die hoch durchlässig für das zu untersuchende Gas ist und die ein Eindringen von Bodenwasser in die darunter liegende Gas-Generationskammer verhindert, zur Bodensäule hin abgeteilte Gas-Generationskammer aufweist, die von außen beschickbar ist, und daß der in-situ-Gas-Migra­ tionssimulator nach oben mit Deckeln so abgedichtet werden kann, daß ein Stauraum oberhalb der Bodensäule zur Simulation eines Konzentrationsstaus des zu untersuchenden Gases ausgebildet werden kann.
In der Gas-Generationskammer werden Gase entweder durch den hohen Dampfdruck der jeweiligen Flüssigphase oder durch Emanation (Radon) generiert.
Zur drucklosen, rein diffusiven Einspeisung der Gasphasen in die Basis der Bodensäule ist die Gas- Generationskammer durch eine dreischichtige Sandwich- Gitterkonstruktion von der Bodensäule getrennt. Der sich in der Gas-Generationskammer aufbauende Dampfdruck der Flüssigphasen ist bezüglich einer Forcierung der advektiven Gasmigration vernachlässigbar gering.
Oberhalb der Bodensäule ist die Erzeugung eines gasdichten Hohlraums (Stauraum) möglich, in dem ein Konzentrationsstau des betrachteten Gases simuliert werden kann.
Der in-situ-Gas-Migrationssimulator erlaubt aufgrund seiner Dimensionierung die Erhebung von Meßdaten, die denen von in-situ-Messungen des Gasgehaltes der Bodenluft (z. B. des Radongehaltes der Bodenluft) entsprechen. Dabei können vorteilhafterweise die das Gaskonzentrationsprofil der Bodenluft beeinflussenden Parameter Luftdruck, Bodenfeuchte, Boden- und Lufttemperatur, Gaspermeabilität und Porosität des Bodens, Gasproduktionsrate der Mineralmatrix, Grad der Bodenversiegelung, Gas-Konzentrationsgradient in der Bodensäule und gegebenenfalls Kontaminationen des Bodens durch NAPLs definiert vorgegeben bzw. exakter bestimmt werden als bei in-situ-Messungen.
Durch den Aufbau des in-situ-Gas-Migrationssimulators, seine Befüllung mit definiertem Boden und die Beschickung der Gas-Generationskammer mit gasgenerie­ rendem, zum Beispiel radiumhaltigen Material, können die den Gasgehalt, zum Beispiel Radongehalt, der Boden­ luft steuernden Parameter definiert vorgegeben bzw. voneinander unabhängig variiert und gemessen werden.
Der in-situ-Gas-Migrationssimulator steht in der Erde, so daß sich der natürliche Temperaturgradient einstellt und die Meßergebnisse diesbezüglich unverfälscht sind. Über die Gas-Generationskammer (Emanationskammer im Falle des Radons) können Gase druckfrei in die Bodensäule eingebracht werden. Ein Einpressen von Gasen ist ebenfalls möglich. Es können Druck- und/oder Temperaturgradienten gezielt erzeugt werden. Ein Konta­ minationseinlaß erlaubt die gesteuerte Kontamination der Bodensäule.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungs­ beispiel einer Meßeinrichtung nach der Erfindung für die Untersuchung der Migration des radioaktiven Edel­ gases Radon in einer Bodensäule näher erläutert. In der zugehörigen einzigen Figur ist eine schematische Darstellung der Meßeinrichtung nach der Erfindung in Arbeitsposition gezeigt.
Die Meßeinrichtung nach der Erfindung besteht im wesentlichen aus einem Zylindergefäß in der Art eines Lysimetergefäßes, welches als in-situ-Gas-Migrations­ simulator 20 bezeichnet wird und beispielsweise aus HD- PE besteht. Durch die Wahl einer geeigneten Wandstärke wird bezüglich Bodengas und Bodenwasser ein nahezu geschlossenes System gewährleistet, wenn die Nähte des Simulators 20 wasser- und radondicht geschweißt wurden.
Der Simulator 20 weist in der Wandung 8 eine Vielzahl von Durchführungen zur Aufnahme von Sonden 5, 6, 9, 11 und für Ein- und Auslässe 7, 10 auf.
Im unteren Bereich des Simulators 20 ist eine Luke 12 vorgesehen, über die die durch eine Sandwich-Gitter­ konstruktion 15, 16, 17 von der Bodensäule 4 abgetrennte Emanationskammer 13 von außen zugänglich ist.
Der Simulatorboden 19 ist flächendeckend mit einer Heizmatte 14 belegt.
Die Abdeckung der Meßeinrichtung erfolgt mit einem auf einer Silikondichtung 3 aufliegenden und verschraub­ baren Deckel 1 zur Erzeugung eines gasdichten Stauraums 18 oberhalb der in den Simulator 20 eingebrachten Bodensäule 4.
Zur Simulation einer radonundurchlässigen Versiegelung des Bodens ist eine bündige Abdeckung 2 der Bodensäule 4 vorgesehen. Die Bodensäule 4 kann als eigenaktive, d. h. Radon produzierende, oder als inaktive Bodensäule ausgeführt sein.
Bei der Verwendung einer inaktiven Bodensäule 4 wird die Emanationskammer 13 unterhalb der Basis der Bodensäule 4 mit radiumhaltigen Material befüllt, welches als Radonquelle dient. Durch das in der Emanationskammer 13 erzeugte Radon wird eine Zufuhr von Radon aus größeren Tiefen simuliert. Um eine drucklose, rein diffusive bzw. advektive Einspeisung des Radons aus der Emanationskammer 13 in die Basis der inaktiven Bodensäule 4 zu ermöglichen, ist die Emanationskammer 13 durch die speziell für diesen Einsatzfall entwickelte dreischichtige Sandwich-Gitterkonstruktion 15, 16, 17 von der Bodensäule 4 getrennt.
Die Sandwich-Gitterkonstruktion besteht aus einem glasfaserverstärkten Kunststoffgitterrost 17, einer darauf aufgebrachten hochporösen, ultrahochmolekularen, gesinterten PE-Platte mit irregulärem Korn 16 und einer dünnen, radondurchlässigen LD-PE-Folie 15. Diese Konstruktion muß die zum Tragen der Bodensäule 4 ausreichende Statik aufweisen und muß sehr gut radondurchlässig sein und darf kein Einsickern von Bodenwasser oder von anderen Flüssigkeiten in die Emanationskammer 13 zulassen. Ist bei einem in-situ- Gas-Migrationssimulator 20 kein Wassereinstau vorge­ sehen, kann zur besseren Anbindung der Emanationskammer 13 an die Bodensäule 4 auf die Folie 15 verzichtet werden.
Die Gitterkonstruktion wird leicht schräg eingebaut, um eingebrachtes Wasser, das nicht durch die Feldkapazität des Bodens gehalten wird, durch die Wandung 8 des Simulators 20 abziehen zu können. Der Zugang 10 steht mit einem System in Verbindung, das einen Einstau des Simulators 20 ermöglicht.
Bei Verwendung einer aktiven Bodensäule 4 wird die Emanationskammer 13 unterhalb der Basis der Bodensäule 4 mit dem gleichen Bodenmaterial gefüllt aus dem die Bodensäule 4 besteht. Zur experimentellen Bestimmung der Exhalationsrate der Bodensäule 4 wird die Boden­ säule 4 mit dem Deckel 1 abgedeckt, so daß ein gasdichter Stauraum 18 und dadurch ein Konzentrations­ stau des aus der Bodensäule 4 exhalierenden Radons entsteht. Über Sonden 9 im Stauraum 18 besteht die Möglichkeit einer quantitativ gesteuerten Druckänderung im gasdichten Stauraum 18 oberhalb der Bodensäule 4, so daß eine von atmosphärischen Luftdruckschwankungen induzierte Bodengasadvektion simuliert werden kann.
Durch die Abdeckung 2 kann eine radonundurchlässige Versiegelung des Bodens simuliert werden, um einen Radonstau in der Bodensäule 4 selbst zu erzeugen.
Zur Simulation einer konvektiven, d. h. durch thermischen Auftrieb gesteuerten Migration des Radons in der Bodensäule 4, ist in der Emanationskammer 13 die flächendeckende Heizung 14 vorgesehen, mit der Temperaturen bis ca. 60°C erzeugt werden können.
Zur Untersuchung der Beeinflussung der Radonkonzen­ tration in der Bodenluft durch die Anwesenheit von NAPLs in der Bodensäule 4 ist im unteren Drittel der Meßeinrichtung der flächige Kontaminationseinlaß 7 vorgesehen. Dieser ermöglicht eine nahezu homogene Kohlenwasserstoff-Kontamination der Bodensäule 4 unter­ halb des Einlasses 7. Das Einbringen der Kontaminanten erfolgt über ein System aus perforierten PE-Schläuchen, das als Netz über die gesamte Querschnittsfläche der Bodensäule 4 gelegt ist, ohne dabei die Radonmigration nennenswert zu behindern.
Die Messung aller relevanten Parameter in der Bodensäule 4 erfolgt über Sonden, die in Ebenen in die Bodensäule 4 eingebracht sind.
In den Sondenebenen 5 sind zum Beispiel jeweils die folgenden Sensoren eingebracht:
  • - "Clipperton"-Sonde zur passiven Messung des Radon- Gehalts der Bodenluft als Zeitreihe,
  • - Festkörperspurdetektor zur passiven zeitintegrierten Messung des Radon-Gehaltes der Bodenluft,
  • - Bodenluftlanze zur Entnahme von Bodenluftproben und zur aktiven Messung des Radon-Gehaltes der Bodenluft mit Hilfe eines geeigneten Meßgerätes,
  • - TDR-(Time Domain Reflectrometry)-Feuchtemeßgerät zur Messung der Bodenfeuchte als Zeitreihe und
  • - Thermometer zur Temperaturbestimmung als Zeitreihe.
Die Sensoren werden beim lagenweisen Befüllen der Meßeinrichtung in den entsprechenden Tiefen eingebaut.
Jeweils zwischen den Sondenebenen 5 ist ein Tensiometer 6 zur Messung der Saugspannung des Bodens als Zeitreihe vorgesehen.
Zur Untersuchung der Verhältnisse im Stauraum 18 bzw. in der Emanationskammer 13 sind als Sensorik 9 eine Bodenluftlanze, ein Thermometer und eine mit einer Pumpe verbundene Drucksonde und als Sensorik 11 ein Festkörperspurdetektor und ein Thermometer installiert.
Der Einstau von Wasser in die Meßeinrichtung ist zur Simulation von Grundwasserschwankungen über den Stutzen 10 an der Basis der Bodensäule 4 möglich. Ist bei einem in-situ-Gas-Migrationssimulator 20 kein Wassereinstau vorgesehen, kann zur besseren Anbindung der Emanationskammer 13 an die Bodensäule 4 auf die Folie 15 in der Sandwich-Gitterkonstruktion 21 verzichtet werden.
Zur Messung der aktuellen meteorologischen Parameter, welche die Migration von Radon im Boden beeinflussen, kann in direkter Nachbarschaft zur Meßeinrichtung eine Wetterstation eingerichtet sein.
Bezugszeichenliste
1
Deckel
2
Deckel
3
Silikondichtung
4
Bodensäule
5
Sondenebene
6
Tensiometer
7
Einlaß
8
Wandung
9
Sondenebene
10
Einlaß/Auslaß
11
Sondenebene
12
Luke
13
Gas-Generationskammer (Emanationskammer)
14
Heizung
15
PE-Folie
16
PE-Sinterplatte
17
Kunststoffgitter
18
Stauraum
19
Simulatorboden
20
In-situ-Gas-Migrationssimulator
21
Abtrennung

Claims (7)

1. Meßeinrichtung zur Untersuchung des Migrationsver­ haltens von Gasen in Böden unter Verwendung eines die Bodensäule aufnehmenden in-situ-Gas-Migrations­ simulators in der Art eines Lysimetergefäßes mit darin eingeführten Sonden, bei der der mit der zu untersuchenden Bodensäule (4) teilweise gefüllte in-situ-Gas-Migrationsimulator (20) im unteren Bereich eine Gas-Generationskammer (13) aufweist, die durch eine spezielle Abtrennung (21), die eine zum Tragen der Bodensäule (4) ausreichende Statik aufweist, die hoch durchlässig für das zu untersuchende Gas ist und die ein Eindringen von Bodenwasser in die darunter liegende und zur Bodensäule (4) abgeteilte Gas-Generationskammer (13) verhindert, welche von außen über eine Luke (12) beschickbar ist, und daß der in-situ-Gas- Migrationssimulator (20) nach oben mit Deckeln (1, 2) so abgedichtet werden kann, daß ein Konzen­ trationsstau des untersuchten Gases sowohl in einem Stauraum (18) oberhalb der Bodensäule (4) als auch in der Bodensäule (4) selbst simuliert werden kann.
2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtrennung (21) aus einer Sandwich-Gitterkonstruktion, bestehend aus einem glasfaserverstärkten Kunststoffgitterrost (17), ei­ ner hochporösen, ultrahochmolekularen, gesinterten PE-Platte mit irregulärem Korn (16) und aus einer radondurchlässigen LD-PE-Folie (15), gebildet ist.
3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der Gas-Generationskammer (13) eine Heizung (14) vorgesehen ist, um eine konvektive Gasmigration zu simulieren.
4. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Untersuchung der Beeinflussung der Konzentration von Gasen in der Bodenluft durch NAPLs im unteren Drittel des in-situ-Gas-Migra­ tionssimulators (20) ein flächiger Kontaminations­ einlaß (7) vorgesehen ist.
5. Meßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für den Einlaß von Kontaminanten ein System aus perforierten PE-Schläuchen vorgesehen ist, das über die gesamte Querschnittsfläche der Bodensäule (4) gelegt ist, ohne die Gasmigration nennenswert zu behindern.
6. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der in-situ-Gas-Migrationssimulator (20) aus HD-PE besteht.
7. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein erster Deckel (2) bündig und gasdicht die Bodensäule (4) nach oben abschließen kann und ein zweiter Deckel (1) auf dem Rand (22) des in-situ-Gas-Migrationssimulators (20) bündig und radondicht über einer Silikondichtung (3) aufsitzen kann.
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