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1945年中，欧洲战场以德国投降而结束，但日本仍在太平洋负隅顽抗。尽管日本海军已基本被摧毁，但其本土仍拥有大量陆军和狂热的“一亿玉碎”计划，准备进行本土决战。
美国陆军航空队司令亨利・哈里・阿诺德将军等认为轰炸足以取得战争胜利，但乔治・马歇尔将军等深信一场登陆作战不可避免。于是美国采取了混合战略，一方面继续轰炸和封锁，另一方面积极准备登陆作战--史上规模最大的两栖军事行动-”没落行动“就这样拉开了序幕。
经历过第一次世界大战毒气战的美国，虽在战后依然持续进行化学武器的研究与生产，但气候在实际投入上十分有限：截至1941年，其储备量仅为500吨，甚至不及第一次世界大战期间美军一天的使用量。
太平洋战争爆发后，美国陆军基于德军和日军正在研发生物化学武器的情报，作为应对措施加强了相关研究，并于1942年9月成立了“生物战研究部”。
同时化学武器的预算增加了30倍，以埃奇伍德陆军兵工厂（Edgewood Arsenal）为中心大规模生产毒气。
实验设施也在各地建立，对各种类型的毒气进行了研究；为应对对日作战需求，还在佛罗里达州布什内尔和巴拿马圣何塞岛等更具热带条件的地点设立了实验设施，此外在澳大利亚昆士兰州的布鲁克岛也设立了美军的毒气实验设施。
通过志愿招募，约65000名军事人员被聚集到实验设施中，佩戴防毒面具和防护服，被要求进入充满毒气的房间长达一小时，此类人体实验反复进行。
志愿者在实验前后接受了详细的健康检查，但中毒者依然层出不穷，大量人员被收治入院。
军方真正认真考虑对日军使用化学武器，是在1943年11月塔拉瓦战役中美国海军陆战队遭受重大伤亡之后。
美国陆军化学作战部（ Chemical Warfare Service）负责人威廉·波特少将提出“若能恰当使用毒气，将能提前结束太平洋战争，避免众多美国人的损失”，积极建议使用化学武器。
美国陆军参谋长乔治·马歇尔也表示：“我们能立即使用、确凿减少美国军人生命损失、从物理上加速战争结束的、且至今唯一未使用的武器就是毒气。”
因此，为对日使用做准备，还招募了日裔二世士兵志愿者，进行了毒气对亚洲人是否与白种人效果不同的实验，但未发现任何差异。
随着毒气的实验与研究不断推进，产量也飞速发展，到1945年已生产出550万发毒气炮弹、100万枚毒气炸弹以及超过10万个由飞机散布毒气的布洒罐。
此外，除了传统的毒气武器外，还开发了新式武器，其中包括：用氢氰酸填满玻璃瓶后投入敌方坦克或士兵藏身的战壕的毒气手榴弹；以及将芥子气装入容量1加仑的金属罐，安装导火索或电子引信，经过一定时间后毒气喷出污染周围区域的芥子气地雷。
毒气手榴弹因运输风险大且玻璃容器能否顺利破碎未知，未能大规模生产；但芥子气地雷因制造简单，仅容器就制造了200万个，并且为应对“没落行动”，截至1945年4月，太平洋各地仓库已储存了43000枚已填充芥子气的芥子气地雷。
随着对日本本土空袭的开始，美军对东京市有效散布化学武器进行了详细研究：从散布季节、气象条件到所用毒气种类等，芥子气、光气等被列为候选。
此外，纳粹德国投降后，美军接收了其正在开发的沙林等毒气的制造方法，并将其纳入对日作战所用的候选毒气。
生物武器的研究也在进行。波特少将寻求学界合作，与哈佛大学和威斯康星大学的学者签订了细菌研究合约。
在1943年“生物战研究部”在德特里克营的研究设施、密西西比州的霍恩岛以及达格威试验场附近的丘陵地格拉尼特峰设立了试验场，基于大学的报告开始了研究。
但霍恩岛试验场因风向吹往本土而被认定风险较高，主要试验场遂定为达格威试验场。
试验工厂以相当规模制造了肉毒杆菌毒素，并发现制造过程中使用液体悬浮微粒比干燥粉末效果更佳。对于炭疽杆菌，也确立了干燥粉末或浆状散布的技术。
最初这些研究由美国陆军进行，后来美国海军也加入合作，两个试验设施和一个生产工厂约有4000名人员参与，其中1/4为海军人员。
海军寻求鼠疫杆菌作为武器的可能性，但主要研究的细菌是毒性高的肉毒杆菌和炭疽杆菌。德特里克营的研究被列为最高机密，周边居民均不知情，但设施外感染事故频发，约发生250起病原菌感染事故，其中60起被确认为源于设施泄漏。幸运的是未出现感染致死案例，但为防万一，设施工作人员均被要求签署“埋葬同意书”。
1944年1月，陆军部长史汀生命令“执行细菌武器研究及预备生产计划”，波特基于以往研究成果，建议在阿拉巴马州亨茨维尔建设细菌毒素生产工厂。
该工厂计划月产约280吨，相当于100万枚炭疽炸弹或22万枚肉毒杆菌炸弹的量。该建议被美国陆军军需科司令布里恩·萨默维尔少将采纳，他表示“在我军受命进攻日本本土之际，此细菌毒素制造将使美国在生化药剂补给方面占据有利地位。”
英军同样进行生物武器研究，知悉美军动向后，两军间进行了活跃的情报交流。除亨茨维尔外，在印第安纳州特雷霍特维哥军需工厂内也建设了生物武器工厂。
维哥工厂主要计划生产炭疽炸弹，首先计划月产50万枚，随着“奥林匹克行动”计划推进，预计登陆前可增产至100万枚，其后“小王冠行动”时生产能力预计将提高至2-3倍。
尽管如此，由于在侵华战场上使用过生化武器的日军并未对美军使用生化武器，美军也就未使用。但波特少将坚持认为，日军对中国军队使用毒气“已将对毒气的报复使用权交给了美国”，持续主张尽快使用；海军的切斯特·尼米兹和第5舰队司令斯普鲁恩斯，在获悉栗林忠道中将指挥的硫磺岛守军构筑了坚固要塞后，也请求批准使用毒气。
对于陆海军高层接连提出的生化武器使用建议，对富兰克林·罗斯福总统有强大影响力的美国总统军事顾问威廉·莱希主张“化学或生物武器的使用违背基督教伦理和公认的一切战争法律，且我方使用则敌方也会使用”；罗斯福也警告“若日军继续此类非人道战争（对中国军队使用化学武器），美军将以毒气报复”，美军的使用方针被决定严格限于对日军使用的报复。
其后，在硫磺岛战役和冲绳战役中美军遭受巨大损失，迫于形势，为减少美军伤亡，积极使用生化武器的意见开始占上风。
冲绳战役中，美国陆军第十集团军司令西蒙·巴克纳中将战死，苦战之后，其继任者约瑟夫·史迪威中将主张“应考虑使用毒气。若将攻击限定于军事目标，则可避免用于平民的污名”。
美国参谋长联席会议为让舆论接受生化武器的使用，与媒体合作引导舆论的绝密资料因信息公开而曝光。
在官方的舆论运作下，《芝加哥论坛报》刊登社论《用毒气解决他们（日军）》，称“谴责毒气不人道既是错误也是偏离重点”，“使用毒气能拯救众多美国人的生命，同时在一定程度上也可能拯救日本人的生命”，以此减轻美国公众对使用生化武器的反感态度。
为准备“奥林匹克行动”，美军在澳大利亚和夏威夷大量建设大型生化武器仓库，在太平洋岛屿上也设置了小型储存设施。攻占吕宋岛和冲绳后，美军计划在吕宋岛储存7500吨生化武器，在冲绳储存16000吨。
“奥林匹克行动”开始时，计划让装载8500吨生化武器的运输舰停泊在马尼拉湾，随时可送往前线。
参战部队的准备也在稳步推进，针对上述史迪威的毒气使用提案，美国陆军航空队司令阿诺德回应“正考虑对日使用毒气。
拥有化学战部门的美国陆军航空队持续研究飞机布洒毒气的战略与战术应用”，实际储存的毒气已处于随时可使用的状态。
美国海军同样如此，若毒气使用获批准，计划将全部轰炸行动的20%用于投掷毒气炸弹，并建立常向前线万枚毒气炸弹的体制，这相当于60天的战斗储备。
不仅飞机布洒，地面部队也进行了为“扫荡日本洞穴要塞”的“毒气攻击性使用”训练。关于美军此方针，前总统罗斯福明确表示“毒气使用仅限于报复情况”，但杜鲁门对此否定，默许了“毒气攻击性使用”。
此外，美军还计划对日本农作物使用有毒武器。1942年，应美国陆军要求，在美国农业部位于马里兰州贝尔茨维尔的研究所开始了针对使日本特定农作物枯萎死亡的细菌研究。
然而，日本主要农作物如水稻和红薯对细菌抵抗力极强，因此决定改用化学物质散布，实际使用B-29对日本耕作地带散布原油和废油，但效果不佳。
进一步研讨后，制定了在农作物灌溉用水中散布2,4-二氯苯氧乙酸的计划。2,4-二氯苯氧乙酸计划由B-29组成的第1010轰炸大队主要对四国和本州南部水田散布，总量约1645吨。
2,4-D是由英国洛桑试验站的研究人员在朱达·赫希·夸斯特尔的领导下于二战期间发现的一种人工合成的植物生长素。其被叶片吸收后转运至植物的分生组织，随后使得植物不受控制且不可持续的生长，导致茎干卷曲，叶片萎蔫，最终造成植物的死亡。通常以铵盐的形式使用。
预计此作战到1945年9月能破坏日本水稻种植面积10%的水田，后计划扩大，修改为延至1946年4月破坏30%的水田。战争结束前夕，此农作物破坏实验定在澳大利亚进行，美国派遣了农学专家观测指导。
美国国内媒体也如同对待毒气一样协助对公众的舆论引导，1945年6月号的《时代》杂志刊载了如下文章：
日本所进行的总体战，比先前的纳粹德国或任何近代军事大国的总体战都要彻底得多。总体战必须将敌人逼至全面败北。这意味着必须摧毁日本所有的资源、以及由日本男人、女人、孩子构成的战力。
除了生化武器外，陆军参谋长乔治·马歇尔还计划在没落行动中战术性使用曼哈顿计划即将完成的原子弹：
即便是装备不足的部队，也能让登陆部队遭受可怕损失。日本人依然凶残，我们必须将他们全部消灭。于是我们想到——原子弹岂不是最适合用于防御或登陆准备的武器吗？
据曼哈顿计划负责人莱斯利·格罗夫斯少将的副官肯尼思·尼科尔斯准将透露，若战争持续，除小玩意小男孩胖子三枚外，1945年9月前还能再生产三枚，之后每月可产七枚，若实际实施登陆，我们或许会提供十五枚原子弹用于支援将士。
然而在制定没落行动计划时，官方文件完全未提及原子弹使用，这是因为当时知晓顶级机密曼哈顿计划的作战策划者寥寥无几。就连最高司令官麦克阿瑟也是在三位一体试验成功十天后才知悉，其他大多数作战相关人员亦然。
唯有海军尼米兹上将早在1945年2月就掌握了概况。这是因为需要海军舰艇将用于轰炸日本本土的铀235等物资运至马里亚纳群岛，故提前获知，但鉴于国家机密性质，尼米兹未向其他作战人员透露。
该特殊任务由重巡洋舰印第安纳波利斯号执行，但其在完成运输任务后遭日本海军回天特别攻击队·多闻队的伊-58号潜艇鱼雷击沉。
因此与生化武器不同，原子弹使用并未被军方具体研讨过，但知晓曼哈顿计划或事后知情的相关人士发表了多种作战应用言论：
曼哈顿计划负责人莱斯利·格罗夫斯与洛斯阿拉莫斯国家实验室主任罗伯特·奥本海默
格罗夫斯：若实施对日登陆，能否开发出有助于对抗壕沟敌军的武器？
距爆心800英尺内壕沟士兵会死亡，但1英里外洞穴中的士兵可能毫发无损地爬出。
若原子弹在战场1800英尺高空爆炸，美军和坦克可立即穿越该区域推进——最好乘车，必要时亦可徒步。
奥林匹克行动中将以三枚原子弹支援三个军：登陆前在各军指定海岸各投一枚；对向内陆集结的日军投掷第二波；对从北九州山脉逼近的敌增援部队投掷最后一枚。
广岛和长崎都是基督教活动中心，反对投弹。应改投濑户内海引发海啸，或投掷京都。
让伴随核载机的其他飞机用强光或警报器吸引敌军注意力，使其目光转向原子弹闪光。
指挥过关岛和林加延湾登陆的美国海军太平洋舰队两栖军第3大队指挥官理查德·康诺利准将：
想要六枚这东西（原子弹），在将士登陆（九州）前，在每个登陆点两端各放一枚。
这些言论看似均未考虑友军遭受的辐射危害，但当时辐射伤害研究尚浅——直至1947年，即广岛、长崎核爆受害者被追踪调查后，《大英百科全书》仍记载：影响类似于过度暴露于强X射线，两城均未发现有害放射性物质积累。
此后通过进一步研究受害者健康影响及美军原子士兵（Atomic Soldier，是指在 1945 年至 1960 年代期间参与核试验演习，通过向蘑菇云突击等行动而遭受辐射暴露的士兵们）在反复核试验中的辐射病例，其严重性才逐渐明晰。
奥林匹克行动启动前原子弹研制成功，杜鲁门参加波茨坦会议期间获悉三一试验成功。马歇尔等本土进攻推进派考虑将原子弹用于战术部署，而陆军部长亨利·史汀生等谨慎派则视其为促使日本做出最终决策的手段——两派均主张对日使用原子弹。
杜鲁门采纳史汀生等谨慎派意见，决定以核爆作为促降手段，遂有8月6日广岛核爆与8月9日长崎核爆。
由于日本仍未投降，推进派马歇尔以东京大轰炸为例回顾：我们一夜间杀死十万人，但表面未见成效，并强烈主张：若两枚原子弹仍无法使日本领导层屈服，则必须实施登陆。因此下一枚可用原子弹应预留用于支援没落行动登陆。米乐股份有限公司
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