בחודש ספטמבר 2011 נערכה חפירה לימודית תת-ימית בעתלית-ים (הרשאה מס' 6271-A; נ"צ 19435/73518). כן נערכו לאורך השנים סקרים ביישובים המוצפים שבחוף הכרמל. החפירה והסקרים נערכו מטעם רשות העתיקות בשיתוף עם מכון רקנאטי ללימודי ים ומכון זינמן לארכיאולוגיה, אוניברסיטת חיפה, ובמימון פרויקט Cost Action TD0902; SPLASHCOS – Submerged Prehistoric Archaeology and Landscapes of the Continental Shelf במסגרת תוכנית לשיתוף פעולה מדעי של האיחוד האירופי וחברת ההפקות Alpha-Zoulou. הם נוהלו על ידי א' גלילי, בסיוע י' כהנוב, ד' צביק וו' אשד (חפירה ארכיאולוגית תת-ימית), א' יורנר, מ' בכר וד' מוסקוביץ (לוגיסטיקה וצלילה), א' גרינברג, ג' ארבל וב' גלילי (צילום תת-ימי), י' הרשקוביץ מבית הספר לרפואה באוניברסיטת תל אביב (אנתרופולוגיה פיזית), מ' וינשטיין-עברון מאוניברסיטת חיפה ונ' ליפשיץ מאוניברסיטת תל אביב (שרידי צומח), ל' קולסקה-הורוביץ מהאוניברסיטה העברית וע' זוהר מאוניברסיטת חיפה (שרידי בעלי חיים וצמחים), י' מלמד מהמרכז לרפואה היפרברית וצלילה בבית החולים אלישע ועמותת אקו-אושן (Ecoocean) למחקר ימי וחינוך סביבתי.
החפירה התת-ימית נערכה באתר המוצף עתלית-ים (איור 1), המתוארך לתקופה הניאוליתית הקדם-קרמית ג'. הסקרים בכפרים המוצפים שבחוף הכרמל נערכו לאחר הרס שנגרם להם בעקבות חשיפתם לזרמים ולגלים וכן בשל העניין הרב באתרים אלה על רקע התחזיות לעליית מפלס הים. במהלך המאה הכ' לסה"נ חלה עלייה של כ-0.21 מ' במפלס הים, וזו גרמה להצפת שטחי יבשה ולהרס ערי חוף עתיקות ברחבי העולם. האתרים המוצפים בחוף הכרמל הם דוגמה לעתיד לקרות ליישובי חוף בימינו בתהליך הגלובלי של עליית מפלס הים. לפי התחזית מפלס הים עשוי לעלות בשנים הבאות בכמטר אחד ויגרום להצפת שטחי יבשה נרחבים ולהרס יישובי חוף. יהיו לכך השלכות כלכליות, חברתיות ותרבותיות מרחיקות לכת על מדינות השוכנות לחופי ימים.
האתר עתלית-ים (40 דונם) נמצא במפרץ הצפוני בעתלית, במרחק 200–400 מ' מהחוף ובעומק של 8–11 מ' מתחת לפני הים. באתר התגלו בעבר בארות מים מדופנות אבן מהקדומות בעולם, קבורות אדם, מבני מגורים מלבניים שנבנו באבנים, ריכוז מצבות אבן גדולות (מגליתים), כנראה מתקן פולחני, מתקנים לייצור ולאחסון מזון, כלים מצור, מעצם ומעץ וכלי אבן לעיבוד מזון. כן התגלו באתר שרידים רבים של בעלי חיים שהתושבים גידלו או צדו, דגים שהם דגו וכמאה מיני צמחים שגודלו באתר או נאספו מן הבר, המלמדים כי כלכלת היישוב התבססה על חקלאות, צייד, לקט ודייג (חדשות ארכיאולוגיות 109: 41–43, צז:40, צב:9, צ:25).
בחפירה נחשפו שוב ותועדו באר 11 ומבנה מגליתי 65, שנחשפו בעונות קודמות. כן התגלתה באר מים חדשה (L102) שדופנה גם היא באבנים; היא נחפרה לעומק 0.2 מ'. בחומר שנחפר בבאר וסונן התגלו עצמות של יונקים קטנים ודגים, ספטולה מעצם, פריטי צור ושרידי צמחים מפוחמים ורוויי מים.
בסקרים ביישובים המוצפים לאורך החוף מצפון לעתלית-ים תועדו מתקנים ומבנים מהתקופה הניאוליתית הקרמית (תרבות ואדי רבה) שנחשפו במהלך סערות בים. באתר כפר סמיר נחשף סמוך לחוף מבנה סגלגל, שנבנה מאבנים שטוחות ניצבות (איור 2). בקרבת המבנה התגלו מאות חרצני זיתים. באתר כפר גלים נחשפו בעומק 1.5–3.0 מ' מתחת לפני הים ארבע בארות מים (כ-1 מ' קוטרן), שנבנו מגזעי עצים ואבנים (0.1–0.3 מ' קוטר הגזעים; איור 3). בארות אלה הן ממתקני העץ הקדומים ביותר המוכרים. באתר תל חרייז נחשף בעומק 0.2–4.0 מ' מתחת לפני הים מבנה מגליתי גדול ממדים (כ-60 מ' אורך), שנבנה ממאות סלעים (1 מ' אורך מרבי). עוד נחשפו עמודי עץ ניצבים (יסודות בקתה?) ומבנה רבוע, שנבנה מאבני גוויל, וכן עצמות בעלי חיים, כלי צור, כלי חרס וכלי אבן (איור 4). באתרים המוצפים כפר גלים, החותרים, תל חרייז ומגדים נחשפו שש בארות מים שדופנו באבנים (איור 5). כל השרידים התת-ימיים שתועדו ממוקמים מקו החוף עד למרחק 120 מ' ממנו. גילויו של מבנה מגליתי באתר תל חרייז מלמד אולי שהאתר היה מרכז אזורי ליישובי התקופה הניאוליתית הקרמית בחוף הכרמל.
הכפר בעתלית-ים הוא הדוגמה הקדומה הידועה לכפר דייגים ים תיכוני, שכלכלתו התבססה על משאבים מהים ומהיבשה בו זמנית, שהיו בסיס לתזונה הים תיכונית המוכרת לנו כיום. על סמך סימנים בעצמות אדם שהתגלו בקברים נראה כי האוכלוסייה שחיה בעתלית-ים לפני 9200–8500 שנה התמודדה עם מחלות כמו מלריה, שהייתה נפוצה בביצות החוף, שחפת ודלקות אזניים שנגרמו מצלילה במים קרים, כנראה לצורך דייג תת-ימי. למרות המחלות והקשיים הגיע חלק ניכר מהאוכלוסייה לגיל חמישים, גיל מופלג במונחים של החברות שחיו בלבנט בתקופה הניאולתית. נראה כי התזונה המאוזנת, המבוססת על משאבים מן הים ומן היבשה, תרמה לבריאות ולהארכת משך החיים של התושבים הקדמונים.
לאורך חוף הכרמל הצפוני התקיים רצף יישובי למן התקופה הניאוליתית הקדם-קרמית ג' (כ-9200 שנים לפני זמננו) ועד לשלהי התקופה הניאוליתית הקרמית (כ-7000 שנים לפני זמננו). תושבי חוף הכרמל ניצלו בתקופה זו את משאבי הסביבות הימית והיבשתית, עסקו בחקלאות, בגידול צמחי תרבות ובעלי חים מבוייתים, שאבו מים מבארות שחפרו בחוף והחלו לנצל את פרי הזית להפקת שמן. התושבים קיימו בוודאי קשרים חברתיים וכלכליים בין-קהילתיים וייתכן שנוצר באזור ארגון חברתי אזורי שהתפתח במהלך התקופה הניאוליתית.
השרידים הייחודיים והשמורים היטב שהתגלו על קרקעית הים בעתלית-ים ובחוף הכרמל ממחישים את השינויים שחלו בתרבות האנושית באזור החוף בתקופות הניאוליתית הקדם-קרמית והקרמית, בהם המעבר לחקלאות ולניצול אינטנסיבי של משאבי הים, שינויים בדפוסי המגורים, הארגון החברתי ומנהגי הקבורה והשינוי שחל במפלס הים ובחוף. בתקופה שבה התקיים הכפר בעתלית-ים היה מפלס הים העולמי נמוך בכ-16 מ' ממפלסו כיום, ובחוף הכרמל היה קו החוף כ-1.5 ק"מ ממערב לקו החוף של היום. שרידי הכפרים המוצפים מן התקופה הניאוליתית מלמדים על שינויים מהותיים שחלו בגובה פני הים בעקבות תהליכים טבעיים ללא קשר לפעילות האדם. הפעילות האנושית המואצת במאות השנים האחרונות גורמת לדעת חוקרים רבים לאפקט חממה ולהאצה מוגברת בהתחממות כדור הארץ. בעקבות ההתחממות מתמוססות בקצב מהיר כיפות הקרח סמוך לקטבים ועולה מפלס הים העולמי, שעלול להגיע ל-6 מ' ויותר מעל מפלס הים הנוכחי. על ההשפעה של עליית מפלס הים על היישובים לאורך החוף אפשר ללמוד משרידי הכפרים המוצפים בעתלית-ים ובחוף הכרמל, שהם עדות אילמת לחברות אבודות שחוו עליית מפלס ים של עשרות מטרים והצפת יישוביהם.