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在第一攻擊波起飛後不久，南雲根據計劃又派出了7架偵察機對海面進行搜尋偵察，以確保及時發現附近海區內可能出現的美特混艦隊。7架飛機按計劃分別由&ot;赤城&ot;號、&ot;加賀&ot;號各派一架，驅逐艦一利根&ot;號和&ot;築摩&ot;號各派2架，戰列艦&ot;榛名&ot;號派出1架。前2架負責西南方向海面，後5架負責東北方向海面，7路偵察機成扇面以艦隊為中心進行搜尋。除了&ot;榛名&ot;艦上的水上偵察機搜尋半徑為150海里外，其他飛機搜尋半徑均為300海里。
由於當時日軍偵察機沒有裝備雷達，全靠目力觀察，按通常的慣例應採取雙相搜尋進行偵察，即：第一批搜尋機爭取在天亮時到達搜尋半徑的最外端，然後返航。首批飛機啟航後約1小時，在同一搜尋扇面內派出第二批偵察機，其主要任務是搜尋第一批偵察機在夜間未能搜尋到的海區。這樣可將發現敵艦的機率提高一倍。但是，當時整個日本海軍沒有給予戰場空中偵察以足夠重視，南雲雖有足夠數量的、受過夜間飛行訓練的飛行員來實施這一偵察方案，但他不肯增加用於偵察的飛機的數量。因為他根本就不相信敵艦隊會在東經165度日軍派出的潛艇警戒線以西出現。
各偵察機順利升空，但原定在搜尋扇面中央擔任偵察任務的&ot;利根&ot;號和&ot;築摩&ot;號兩艘巡洋艦上的4架偵察機卻因彈射器發生故障而未能準時起飛，待到其升空執行任務時，已比預定的出發時間晚了整整30分鐘時間。這是一個嚴重的非同尋常的失誤。接著，&ot;築摩&ot;的6號機在搜尋途中由於引擎發生故障，不得不於3時35分提前返航。整個偵察任務安排馬虎，成了日本中途島海戰慘敗的致命原因。
從美軍的計劃看，美特混艦隊就在這一架折返的飛機的搜尋區內。如果沒有返航，自然會發現而且可以由日艦隊先發制人；如果有第二批偵察機也可能發現。由於飛機的故障卻出現了漏洞，而敵艦隊恰好就在這個漏洞裡，這對美軍來說真是無法想像的幸運。
且說在南雲把空襲中途島的第一攻擊波剛放走，就下令把第二波飛機從機庫提升到飛行甲板。因為這是山本在出發前特意叮囑安排的，主要是時刻準備提防和攻擊有可能出現的美特混艦隊。第二波飛機也是108架。
飛行甲板上擺滿了這樣多的飛機，無疑對美軍也是一個極大的誘惑。當時在場的淵日美津雄中佐說：&ot;我們就像一個背著滿口袋黃金，單身在森林裡趕路的人，自然會引起強盜注意，哪個強盜首先發現了，都會猛撲過來。&ot;何況，只有18架戰鬥機為南雲部隊的21艘軍艦的空中戰鬥巡邏。可以說，南雲部隊處境險惡。
6月5日晨，美霍華德&iddot;艾迪上尉駕駛著大型水上飛機在中途島西北200海里的上空偵察飛行，當他穿過斷雲時，突然在水天線處發現了日本艦隊。艾迪立即開啟他的收發報機：&ot;達夫尼呼叫，達夫尼呼叫，發現敵艦隊，航向135度。航空母艦2艘、戰列艦2艘、巡洋艦和驅逐艦待報。&ot;不久，在艾迪東南方向的駕駛員蔡斯上尉又發現大批的日機正全速飛向中途島。蔡斯立即發報，1分鐘後，中途島發出了戰鬥警報。此時正是中途島時間6月4日清晨6時整（中途島與日本的時差為21小時）。
蔡斯駕機悄悄地跟蹤日機隊，在離中途島不到30海里的地方，他搶先飛到日機群上空，發射了1顆降落傘照明彈，向早已在空中嚴陣以待的26架&ot;野貓&ot;式戰鬥機報警。
空中攔截戰開始了，但美機不是效能優良的&ot;零&ot;式機的對手。經過15分鐘的激戰，日本戰鬥機共擊落15架美機，而自己未損1架，使全部轟炸機躲開了
