同时，日苏空军在天空展开激战，苏联空军凭借数量和战术优势逐渐掌握制空权。在一场大规模空战中，日军出动了数十架飞机，包括九七式战斗机和一式战斗机“隼”，企图夺取制空权，为地面部队提供空中支援。然而，苏联空军迅速组织了上百架伊 - 16 和伊 - 15 战斗机进行拦截。苏军战斗机采用大编队作战，将日军飞机分割包围，通过密集的火力攻击，击落了多架日军飞机。此后，苏联空军不断对日军地面部队和后方补给线进行大规模轰炸，严重削弱了日军的作战能力。
- 朱可夫指挥苏军进行反击，集中大量坦克、火炮和步兵进行协同作战。苏军的坦克集群如钢铁洪流般冲向日军防线，在强大的炮火支援下，迅速突破了日军的防御。日军在战斗中不断调整战术，但始终无法扭转战局。例如在苏军的一次反击作战中，苏军集中了三个坦克旅、五个步兵师以及大量的炮兵部队。坦克旅在前面开路，以楔形队形高速冲击日军防线，步兵师在坦克的两侧和后方跟进，炮兵则对日军的纵深阵地进行持续炮击。日军的防线在苏军的强大攻势下迅速崩溃，日军部队被分割包围，陷入混乱。
在战役的后期，苏军继续扩大战果，对日军的残余部队进行清剿。日军在遭受重创后，无力组织有效的抵抗，只能不断向后撤退。苏军则乘胜追击，进一步巩固了在诺门坎地区的胜利成果。例如在最后阶段的追歼战中，苏军利用坦克和机械化部队的机动性，对日军的撤退部队进行快速追击，沿途不断消灭日军的有生力量，日军丢弃了大量的武器装备和物资，狼狈不堪地逃离了诺门坎地区。
六、趣事
- 苏联军队在战场上使用了一种特殊的战术，将高音喇叭安装在坦克上，播放嘈杂的音乐和噪音，以干扰日军士兵的心理。当苏军的坦克集群冲向日军阵地时，伴随着震耳欲聋的音乐声，日军士兵在战场上出现恐慌和混乱。许多日军士兵从未经历过这种奇特的战术，被高音喇叭发出的声音吓得不知所措，影响了战斗意志和作战能力。在某次战斗中，苏军的一支坦克部队在进攻日军阵地时，开启了高音喇叭，播放出尖锐刺耳的声音，日军士兵原本就对苏军的强大攻势感到恐惧，听到这种声音后，更是军心大乱，不少士兵甚至放弃了抵抗，四处逃窜，苏军轻松突破了日军的防线。
- 有一次，日军的一支运输车队在夜间行驶时，误将苏联军队的伪装阵地当作自己的营地，结果遭到苏军的突然袭击，损失惨重。当时，苏军在一片开阔地上设置了伪装阵地，利用假的帐篷、车辆模型等道具，营造出一种日军营地的假象。日军运输车队在夜间行军时，由于导航失误和对地形的不熟悉，误打误撞进入了这片伪装阵地。苏军早已在此设下埋伏，当日军车队进入伏击圈后，苏军突然发动攻击，日军运输车队顿时陷入一片混乱，车辆被炸毁，人员伤亡众多。在这场遭遇战中，日军运输车队几乎全军覆没，大量的物资和装备被苏军缴获，进一步加剧了日军在战役中的困境。
七、战役结果
苏联取得了决定性胜利。日军伤亡约 5 万余人，其中战死约 1.8 万人，包括大量的精锐部队和军官。日军第 23 师团遭受重创，几乎丧失了战斗力，多个联队被全歼。苏联伤亡约 2.5 万人。日军损失了大量的武器装备，包括约 200 辆坦克、700 多门火炮、400 多架飞机等。苏联也有一定数量的装备损失，但相对较少。在坦克方面，苏联损失了约 100 辆左右；火炮损失约 200 多门；飞机损失约 100 多架。
八、对双方政治、军事方面的影响
- 日本方面：
- 政治上，日本认识到苏联在远东的强大军事力量，放弃了“北进”战略，转而“南进”，与美英等国在太平洋地区爆发战争，改变了二战的战略格局。日本国内对军队的信心也受到一定打击，政府在战略决策上更加谨慎，军方内部对于战争走向和战略方向也产生了激烈的争论，进一步加剧了日本国内政治的不稳定。日本原本希望通过诺门坎战役的胜利来提升其在国际上的地位和影响力，但战败的结果使其在国际舞台上的形象受损，外交处境也变得更加艰难。
- 军事上，日军对其军事战术和装备进行了反思和改进，开始重视装甲部队的集中使用和多兵种协同作战，但由于资源和工业能力的限制，改进效果有限。同时，军队内部对战争的前景产生了分歧，士气受到一定影响。日军在后续的作战中，虽然试图借鉴诺门坎战役的经验教训，但始终未能从根本上改变其在军事战略和战术上的一些固有缺陷。例如在太平洋战争中，日军仍然存在着对步兵战术过度依赖、各兵种协同不畅等问题，导致在与美军的对抗中屡屡失利。
- 苏联方面：
- 政治上，巩固了苏联在远东的势力范围，保障了蒙古的安全，提升了苏联在国际上的威望，也为苏联在二战中的外交和战略布局提供了有利条件。苏联在国际舞台上的话语权得到增强，与美英等国的外交谈判中也更有底气，为后来的反法西斯同盟的建立奠定了一定基础。苏联通过这场战役向世界展示了其强大的军事实力和坚定的保卫国家利益的决心，赢得了国际社会的尊重和认可。
- 军事上，证明了苏联军事理论和战术的正确性，尤其是多兵种协同作战和大纵深作战理论。这场战役成为了苏联军事院校的经典战例，为苏联军队的建设和训练提供了宝贵的经验。同时也让苏联军队积累了宝贵的作战经验，对军队的指挥、协同、装备运用等方面进行了实战检验和优化，为日后对抗纳粹德国奠定了一定基础。在后来的苏德战争中，苏联军队能够更加熟练地运用多兵种协同作战和大纵深作战理论，有效地抵御了德军的进攻，并最终取得了胜利。
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